Бионикалық тізе буыны әртүрлі жүру жылдамдықтарына қалай бейімделеді?

Жүру жылдамдығына байланысты адамның жүру биомеханикасы

Жүру жылдамдығына байланысты жүру фазасының уақытша өзгерістері мен тізе буынының кинематикасы

Адамдар тезірек жүріп кеткенде, олардың барлық қозғалыс үлгісі қатты өзгереді. 0,8–1,2 метр/секунд аралығындағы бұл баяу жылдамдықтарда адамдар көбінесе жерде тұрады, ал аяқтарына салынатын салмақ кезінде тізелері сәл ғана иіледі. Бірақ біз 1,2–1,6 м/с аралығындағы көптеген адамдар үшін қалыпты жүру жылдамдығына жеткенде, қозғалыс үлгісі өзгеріске ұшырайды. Әрбір аяқпен тұрып өтетін уақыт барлық циклдың шамамен 60%-ына дейін қысқарады, ал аяқтың айналу кезеңінде тізе иілу бұрышы шамамен 45 градустан 65 градусқа дейін артады. Бұл аяқтарды жақсырып өтуге көмектеседі және әрбір қадамды ұзындау етеді. Алайда, жылдамдық 1,6 м/с-тен асқан кезде тұру уақыты 55%-дан төмендейді, яғни дененің тіректің аяғында тізелерді толық ұзақтығында түзетуі қажет, сонда ғана алға қарай тиімді итерілу қамтамасыз етіледі. Бұл барлық реттелулер біздің бұлшықеттер мен жүйке жүйесінің энергияны үнемдеуге және қозғалыс жылдамдығы қандай болса да теңестіруді сақтауға қалай ынтымақтастығын көрсетеді.

Кинетикалық адаптациялар: Тізе буынындағы айналдырушы момент, қаттылық және қуаттың реттелуі

Тізе буыны локомоторлық тиімділікті сақтау үшін жылдамдыққа сезімтал тәсілмен механикалық шығысын реттейді:

• Момент профилі : Баяу (1,0 м/с) және жылдам (1,8 м/с) жүріс кезінде ең жоғары созылу айналдырушы моменті екі есе артады — 0,4-тен 0,8 Н·м/кг-ға дейін; бұл негізінен салмақ қабылдау кезеңі мен соңғы тұру кезеңінде болады
• Буын қаттылығы : Жоғары жылдамдықтарда ортаңғы тұру кезеңінде қосымша жүктеме жылдамдығына қарсы дененің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін 32%-ға артады
• Энергия өндіру : Ауыспалы фазадағы тізе қуаты 1,0-дан 1,8 м/с-қа дейін 150%-ға көтеріледі, бұл аяқтың алға қарай қозғалысын үдетеді

Бұл кинетикалық реттеулер баспалдақтан баспалдаққа өту кезіндегі механикалық энергияның шығынын азайтады. Әрбір 0,1 м/с жылдамдық артуына байланысты тізе буыны центр-оф-масс траекториясын тұрақты сақтау үшін қосымша шамамен 8 Дж жалпы механикалық жұмыс өндіреді — бұл биологиялық жүріс дәлдігін қайталау мақсатындағы бионикалық тізе буынын жобалаудағы негізгі бағдарлама.

Бионикалық тізе буынының адаптациялық механизмдері

ИМБ және жерге әсер ететін күшті сезіну арқылы нақты уақытта жылдамдықты бағалау

Қазіргі кезде бейнеттік иықтар адаптивті түрде әрқашан жүру жылдамдығын анықтай алады, себебі олар сенсорлардың бірігуі деп аталатын нәрсеге сүйенеді. Бұл құрылғылар дене бөліктерінің қозғалыс жылдамдығы мен олардың кеңістіктегі орнын бақылау үшін ИМБ (инерциялық өлшеу құрылғылары) қолданады және деректерді әрбір 1/100 секунд сайын іріктейді. Сонымен қатар, арнайы сенсорлар — күшке сезімтал кедергілер тұру кезінде аяқтың жерге қандай күшпен әсер ететінін өлшейді. Бұл протездердің ішіндегі ақылды бағдарламалық жабдық барлық осы ақпаратты біріктіріп, жүру жылдамдығын бір ондықтың жартысынан да аз уақыт ішінде есептейді. Осы тез жауап беру қабілеті иықты келесі қадамға дейін қажетті күшті дәл уақытында реттеуге мүмкіндік береді. Осындай тез ойлау қабілеті арқасында пайдаланушылар әртүрлі жүру жылдамдықтары арасында ауысқан кезде кез-келген кешігуін байқамайды және барлық уақытта тұрақтылығын сақтайды.

Фаза бойынша синхрондалған басқару: Тұру кезіндегі тұрақтылық пен аяқтың алға қарай иілуіне көмек

Басқарудың жұмыс істеу әдісі биологиялық тұрғыдан нақты қалай жұмыс істейтініне сәйкес әртүрлі жүру кезеңдері бойынша бөлінеді. Адам аяғымен тұрған кезде бұл реттелетін демпфирлеу сипаттамалары арқасында баяу қозғалған кезде кедергі шамамен 35 пайызға артады, бұл салмақты көтерген кезде тұрақтылықты сақтауға көмектеседі. Ал қозғалыстың аяқты алға қарай айналдыру кезеңінде назар аяқты тез алға қарай қозғалтуға аударылады. Микропроцессорлар кедергіні шамамен 28 пайызға азайтады, бұл буынның иілуін әлдеқайда тиімді етеді. Тәжірибелік зерттеулер көрсеткендей, бұл екібөлікті тәсіл тұрақты кедергі орнатылған ескі жүйелермен салыстырғанда әртүрлі жылдамдықтарға ауысқан кезде энергия шығынын шамамен 20 пайызға азайтады. Сонымен қатар, бұл жүйе кедергісіз жүруі мүмкін адамдарда бақыланатын тізе қозғалысына жақын нәтиже береді: тегіс емес жерде немесе көлбеу жерлерде жүрген кезде де тізенің қозғалыс диапазоны қалыпты диапазоннан бес градусқа аспайды.

Адаптивті бионикалық тізе буынының қызметінің клиникалық тексерілуі

Клиникалық зерттеулер бұл ақылды бионикалық тізе протездерінің нағыздан да оларды қажет ететін адамдар үшін маңызды айырмашылық жасайтынын көрсетеді. Олардың қаншалықты жақсы жұмыс істейтінін бағалағанда, қадамдар арасындағы тепе-теңдік, жүріс кезіндегі энергия шығыны және кедергілерді жеңу қабілеті сияқты көрсеткіштер барлығы да шынайы өмірлік жағдайларда жақсарған нәтижелер береді. Омыртқа бөлігінің бір бөлігін жоғалтқан адамдар үшін бұл бейімделуші жүйелер көтеріңкі жерлерде немесе жүріс жылдамдығын өзгерту кезінде дәстүрлі протездерге қарағанда энергия шығынын шамамен 12–18 пайызға азайтады. Алайда ең маңыздысы — нақты пайдаланушылардың пікірі. 2025 жылғы ірі зерттеу бұл жетілдірілген тізе протездерін алғаннан кейін қатысушылардың тоғыздан тоғызы қалада жүруіне қатты сенімді болғанын көрсетті. Сонымен қатар олар қауіпсіз де болып келеді: сынақтар көрсеткендей, адам жерде кездейсоқ нәрсенің үстінен құлаған кезде түсулерді болдырмауға көмектеседі. Барлық бұл зерттеулер бір нәрсені көрсетеді: бұл жылдамдықты реттейтін жүйелер адамдарға еркін қозғалуға және қажетті жерлерде тұрақтылықты сақтауға көмектесетін нағыз жаңалық болып табылады.

Ақылды бионикалық тізе буынын басқарудағы жаңа бағыттар

Антисипативті жылдамдықты реттеу үшін ЭМГ-ге негізделген ниетті тану

Ең соңғы жүйелер қазір тізе буынын қозғалысын басқару үшін тізенің қалдық бұлшықеттерінен алынатын беттік ЭМГ сигналдарын пайдаланады — адам денесі әлі де қозғалыс қарқынын өзгертуге кіріспейтін кезде оның жүріс жылдамдығын өзгерту қалауын алдын ала болжайды. Бұл машиналық оқыту бағдарламалары микросекунд ішінде белсендірілетін осы азғантай бұлшықеттік сигналдарды талдайды: олардың күші қандай екенін және қандай жиілікте жұмыс істейтінін тексереді, сондықтан келешекте қандай күш пен кедергіге қатысты реттеулер қажет болатынын дәл анықтауға болады. Бұл болжамдық басқару іске қосылғанда, аяқ жерден көтерілгенге дейін шамамен жарты секундтан екі секундқа дейін тізе иіледі. Бұл да нақты айтарлықтай айырмашылық туғызады: зерттеулер көрсеткендей, адамдар жылдамдықтарын ауыстырған кезде аяқтары арасындағы тепе-теңдіксіздік әлдеқайда азаяды — бұл өткен жылғы «Clinical Biomechanics» журналында жарияланған зерттеу бойынша, оқиғалардан кейін реакция беретін ескі жүйелерге қарағанда 18% жақсару көрсеткішін құрайды. Барлық бұл нәтижелер жүйенің проблемалар пайда болғаннан кейін емес, алдын ала реттеулер жасауы арқылы қол жеткізіледі.

• Айналу фазасындағы қуат жерден көтерілуін жақсарту үшін
• Тұру фазасындағы сыйымдылық тежелуді тұрақтандыру үшін

ЭМГ-басқарылатын бейімделу айнымалы жылдамдықпен жүру кезінде метаболикалық шығынды 12%–ға азайтады және кешіккен реакция беретін протездермен жиі кездесетін компенсациялық қозғалыстарды жояды.

Келесі буын дизайны: үздіксіз жылдамдық масштабтау үшін айнымалы импедансты іске асыру

Гибридті сериялық серпімді іске асырушы және магнитореологиялық сыйымдылықтың интеграциясы

Қазіргі заманғы бионикалық тізе конструкциялары қозғалтқыштардың сериялық серпімді элементтерін (SEA) немесе магнитореологиялық саңылау реттегіштерді (MR) қолданады, олар биологиялық жүйелердің жұмыс істеуіне ұқсас нақты уақытта импедансты реттеуге мүмкіндік береді. SEA бөлігі адамның әртүрлі жүру кезеңдерінде сақталған серпімді энергияны жинап, одан кейін босатады. Ал MR саңылау реттегіші электромагниттік басқару арқылы ішіндегі арнайы сұйықтың тұтқырлығын өзгерту арқылы кедергі деңгейлерін өзгертеді. Бұл адамның қозғалыс жылдамдығына қарай қаттылық пен саңылау реттегішін дәл реттеуге мүмкіндік береді. Өткен жылы «Bionic Engineering Journal» журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес, бұл комбинация әдеттегі қатты қозғалтқыштарға қарағанда әртүрлі жүру жылдамдықтары арасында ауысу кезінде энергия шығынын шамамен 40 пайызға азайтады. Осы жетілдірілген протездердің негізгі артықшылықтарына мыналар жатады:

• Динамикалық импедансты сәйкестендіру : Жойылу механикасының автоматты түрде жер беті мен жылдамдық талаптарына сәйкестендірілуі
• Соққыны сіңіру mR-дің жұмсартуы тез жылдамдықтарда қадамдың басындағы соққыларды жұмсартады
• Энергияны қайта өңдеу sEA қозғалыс фазасындағы импульсті тірек кезіндегі көмекші моментке айналдырады

Айнымалы импедансты басқару 0,5–2,1 м/с аралығындағы жылдамдықтарда жеңіл өлшемдеуді қамтамасыз етеді — қосымша қолмен қайта калибрлеусіз табиғи қимылдарға жақын кинематиканы сақтайды және биологиялық бұлшықет-байламдық бірліктердің локомоторлық талапқа қарай серпімділікті қалай реттейтінін жақыннан қайталайды.

Сұрақтарға жауаптар:

Қадам фазасының уақыттық өзгерістерінің жылдамдыққа тәуелділігінің негізгі пайдасы қандай?

Жылдамдыққа тәуелді өзгерістер жалпы жүру тиімділігін арттырады, себебі ол тізе буынының кинематикасын оптималдайды, энергия шығынын азайтады және әртүрлі жүру жылдамдықтарында тепе-теңдікті сақтауға көмектеседі.

Қазіргі заманғы бионикалық тізе қосымшалары жүру жылдамдығын қалай бағалайды?

Бионикалық тізе қосымшалары IMU және күшке сезімтал кедергілерден алынған деректерді біріктіретін сенсорлардың бірігуін қолданады; бұл жүру жылдамдығын анықтауға және тұрақтылық пен тиімділікті сақтау үшін нақты уақытта реттеуге мүмкіндік береді.

Гибридті сериялық серпімді актюаторлар мен магнитореологиялық жұмсартқыштар бионикалық тізе қосымшаларына қандай жаңалықтар әкеледі?

Бұл компоненттер нақты уақытта кедергіні реттеуге мүмкіндік береді, ол динамикалық кедергі сәйкестендіруді, соққыны жұтуды және энергияны қайта өңдеуді жақсартады, нәтижесінде протездің тиімділігі артады және биологиялық қызметті имитациялайды.