ข้อเข่าแบบไบโอนิกปรับตัวให้เข้ากับความเร็วในการเดินที่แตกต่างกันได้อย่างไร?

ชีวกลศาสตร์ของการเดินมนุษย์ในช่วงความเร็วต่าง ๆ

การเปลี่ยนแปลงที่ขึ้นกับความเร็วในการเดิน ทั้งในด้านช่วงเวลาของระยะการเดิน (gait phase timing) และการเคลื่อนไหวของข้อเข่า (knee joint kinematics)

เมื่อคนเดินเร็วขึ้น รูปแบบการเคลื่อนไหวทั้งหมดของพวกเขาจะเปลี่ยนแปลงไปค่อนข้างมาก ที่ความเร็วช้ากว่านั้น ประมาณ 0.8 ถึง 1.2 เมตรต่อวินาที ส่วนใหญ่เวลาจะใช้ไปกับการสัมผัสพื้นดิน โดยเข่าจะงออย่างเบาๆ เท่านั้นขณะรับน้ำหนัก แต่เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นถึงระดับที่คนส่วนใหญ่ถือว่าเป็นความเร็วในการเดินปกติ คือระหว่าง 1.2 ถึง 1.6 เมตรต่อวินาที เวลาที่ใช้ยืนบนเท้าแต่ละข้างจะลดลงเหลือประมาณ 60% ของรอบการเดินทั้งหมด และเข่าจะงอมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในระยะที่ขาแกว่ง จากราว 45 องศา ไปจนถึงประมาณ 65 องศา ซึ่งช่วยให้เท้ายกขึ้นได้สูงขึ้นและทำให้ก้าวยาวขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม เมื่อความเร็วเกิน 1.6 เมตรต่อวินาที เวลาที่ยืนบนพื้นจะลดลงต่ำกว่า 55% ซึ่งหมายความว่า ร่างกายจำเป็นต้องควบคุมการเหยียดเข่าให้แม่นยำมากในช่วงปลายของการยืน (stance phase) เพื่อผลักตัวไปข้างหน้าอย่างมีประสิทธิภาพ การปรับตัวทั้งหมดนี้แสดงให้เห็นว่า กล้ามเนื้อและระบบประสาทของเราทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อประหยัดพลังงานและรักษาสมดุลของร่างกายไว้ ไม่ว่าเราจะเคลื่อนที่เร็วเพียงใด

การปรับตัวเชิงจลศาสตร์: แรงบิด ความแข็งแกร่ง และการปรับกำลังที่ข้อเข่า

ข้อเข่าปรับผลลัพธ์เชิงกลของมันตามความเร็วอย่างไวต่อความเร็ว เพื่อรักษาประสิทธิภาพในการเคลื่อนที่:

• รูปแบบแรงบิด : แรงบิดสูงสุดในการยืดเหยียดเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า — จาก 0.4 ถึง 0.8 นิวตัน-เมตรต่อกิโลกรัม — ระหว่างการเดินช้า (1.0 เมตรต่อวินาที) กับการเดินเร็ว (1.8 เมตรต่อวินาที) โดยเกิดขึ้นอย่างเข้มข้นในระยะรับน้ำหนักและระยะยืนปลาย
• ความแข็งแกร่งของข้อต่อ : เพิ่มขึ้น 32% ระหว่างระยะยืนกลางเมื่อความเร็วสูงขึ้น เพื่อเสริมความมั่นคงของแขนขาต่ออัตราการรับโหลดที่เพิ่มขึ้น
• การผลิตพลังงาน : พลังงานที่ข้อเข่าสร้างขึ้นในระยะแกว่งเพิ่มขึ้น 150% จาก 1.0 ถึง 1.8 เมตรต่อวินาที เพื่อเร่งการก้าวขาไปข้างหน้า

โดยรวมแล้ว การปรับตัวเชิงจลศาสตร์เหล่านี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานเชิงกลระหว่างการเปลี่ยนผ่านแต่ละก้าว สำหรับทุก ๆ การเพิ่มความเร็ว 0.1 เมตรต่อวินาที ข้อเข่าจะมีส่วนร่วมในการทำงานเชิงกลสุทธิเพิ่มเติมประมาณ 8 จูล เพื่อรักษาเส้นทางการเคลื่อนที่ของศูนย์กลางมวลให้สม่ำเสมอ — ซึ่งเป็นเกณฑ์พื้นฐานสำคัญสำหรับการออกแบบข้อเข่าไซเบอร์เนติกส์ที่มุ่งเลียนแบบความแม่นยำของการเดินตามธรรมชาติ

กลไกการปรับตัวของข้อเข่าไซเบอร์เนติกส์

การประมาณความเร็วแบบเรียลไทม์โดยใช้หน่วยวัดแรงเฉื่อย (IMU) และการตรวจจับแรงปฏิกิริยาจากพื้น

หัวเข่าไบโอนิกแบบปรับตัวในปัจจุบันสามารถระบุความเร็วในการเดินได้อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ด้วยเทคโนโลยีที่เรียกว่า การผสานข้อมูลจากเซ็นเซอร์ (sensor fusion) อุปกรณ์เหล่านี้ใช้หน่วยวัดแรงเฉื่อย (IMU) เพื่อติดตามความเร็วของการเคลื่อนไหวของส่วนต่าง ๆ ของร่างกายและตำแหน่งของร่างกายในอวกาศ โดยเก็บตัวอย่างข้อมูลทุก ๆ 1/100 วินาที พร้อมกันนั้น เซ็นเซอร์พิเศษที่เรียกว่า ตัวต้านทานไวต่อแรง (force-sensitive resistors) จะวัดแรงกดของฝ่าเท้าลงบนพื้นขณะยืน ซอฟต์แวร์อัจฉริยะภายในขาเทียมเหล่านี้จะผสานข้อมูลทั้งหมดนี้เข้าด้วยกัน เพื่อคำนวณความเร็วในการเดินภายในเวลาไม่ถึง 0.05 วินาที การตอบสนองที่รวดเร็วนี้ช่วยให้หัวเข่าสามารถปรับระดับแรงต้านได้ทันเวลาสำหรับก้าวถัดไป ด้วยความสามารถในการประมวลผลอย่างรวดเร็วเช่นนี้ ผู้ใช้งานจึงไม่รู้สึกถึงความล่าช้าใด ๆ เมื่อเปลี่ยนระหว่างความเร็วในการเดินที่แตกต่างกัน และยังคงทรงตัวได้อย่างมั่นคงตลอดเวลา

การควบคุมแบบประสานเฟส: ความมั่นคงขณะยืน vs. การช่วยเสริมการยืดเหยียดขาขณะก้าว

หลักการทำงานของการควบคุมถูกแบ่งออกตามระยะต่างๆ ของการเดิน โดยสอดคล้องกับกลไกทางชีววิทยาที่เกิดขึ้นจริง เมื่อบุคคลยืนอยู่บนขาข้างหนึ่ง ระบบจะเพิ่มแรงต้านประมาณร้อยละ 35 ขณะเคลื่อนที่ช้าลง ด้วยคุณสมบัติการลดแรงสั่นสะเทือนที่ปรับได้เหล่านี้ ซึ่งช่วยรักษาความมั่นคงขณะรับน้ำหนัก ส่วนในระยะที่ขาแกว่งไปข้างหน้า จุดเน้นจะเปลี่ยนไปสู่การเร่งให้ขาเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว ไมโครโปรเซสเซอร์จะลดแรงต้านลงประมาณร้อยละ 28 ทำให้การงอเข่ามีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น การทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริงพบว่า แนวทางแบบสองระยะนี้สามารถลดการใช้พลังงานลงได้เกือบร้อยละ 20 เมื่อเปลี่ยนความเร็วต่างๆ เทียบกับระบบที่มีการตั้งค่าแรงต้านคงที่รุ่นเก่า นอกจากนี้ ยังช่วยให้การเคลื่อนไหวของข่ายใกล้เคียงกับผู้ที่ไม่มีปัญหาด้านการเคลื่อนไหว โดยยังคงอยู่ภายในขอบเขตการเคลื่อนไหวปกติเพียงประมาณห้าองศา แม้ขณะเดินบนพื้นผิวขรุขระหรือพื้นที่ลาดเอียง

การยืนยันผลการใช้งานทางคลินิกของข้อเข่าไซเบอร์เนติกแบบปรับตัวได้

การทดสอบทางคลินิกแสดงให้เห็นว่าหัวเข่าไบโอนิกอัจฉริยะเหล่านี้มีผลจริงต่อผู้ที่ต้องการใช้งาน โดยเมื่อพิจารณาประสิทธิภาพในการใช้งาน ปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความสมดุลระหว่างก้าวย่าง การใช้พลังงานขณะเดิน และความสามารถในการเอาชนะสิ่งกีดขวาง ล้วนแสดงผลลัพธ์ที่ดีขึ้นในสถานการณ์จริง สำหรับผู้ที่สูญเสียส่วนหนึ่งของต้นขา ระบบปรับตัวเหล่านี้ช่วยลดการใช้พลังงานลงประมาณ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับแขนขาเทียมแบบทั่วไป ขณะเดินขึ้นเนินหรือเปลี่ยนความเร็วในการเดิน อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญที่สุดคือความคิดเห็นจากผู้ใช้งานจริง ผลการศึกษาขนาดใหญ่ในปี ค.ศ. 2025 พบว่าเกือบเก้าในสิบของผู้เข้าร่วมรู้สึกมั่นใจมากขึ้นในการเดินรอบเมืองหลังได้รับหัวเข่าขั้นสูงเหล่านี้ นอกจากนี้ ผู้ใช้งานยังรู้สึกปลอดภัยยิ่งขึ้นด้วย เนื่องจากการทดสอบแสดงให้เห็นว่าระบบเหล่านี้ช่วยป้องกันการล้มเมื่อบุคคลสะดุดสิ่งกีดขวางที่ไม่คาดคิดบนพื้นผิว การวิจัยทั้งหมดนี้ชี้ไปในทิศทางเดียวกัน นั่นคือ ระบบปรับความเร็วเหล่านี้ถือเป็นนวัตกรรมที่แท้จริง ซึ่งช่วยให้ผู้คนสามารถเคลื่อนไหวได้อย่างเสรีมากขึ้นและรักษาความมั่นคงได้ในจุดที่สำคัญที่สุด

แนวโน้มที่กำลังเกิดขึ้นในการควบคุมข้อเข่าไบโอนิกอัจฉริยะ

การรับรู้เจตนาที่ขับเคลื่อนด้วยสัญญาณ EMG เพื่อปรับความเร็วล่วงหน้า

ระบบล่าสุดขณะนี้ใช้สัญญาณ EMG แบบผิวหนัง (surface EMG) ที่รับมาจากกล้ามเนื้อต้นขาที่ยังคงเหลืออยู่ เพื่อคาดการณ์ล่วงหน้าว่าผู้ใช้งานต้องการเปลี่ยนความเร็วในการเดินเมื่อใด ก่อนที่ร่างกายจะเริ่มเคลื่อนไหวแตกต่างออกไปเสียอีก โปรแกรมการเรียนรู้ของเครื่องจักร (machine learning) เหล่านี้วิเคราะห์สัญญาณกล้ามเนื้อที่เล็กจิ๋วซึ่งเกิดขึ้นภายในไมโครวินาที โดยตรวจสอบทั้งความแรงของสัญญาณและช่วงความถี่ที่สัญญาณทำงานอยู่ ซึ่งช่วยให้ระบุได้อย่างแม่นยำว่าจะต้องปรับแรงและแรงต้านอย่างไรในขั้นตอนถัดไป เมื่อการควบคุมเชิงพยากรณ์ (predictive control) ทำงานขึ้น จะทำให้เข่าเริ่มโค้งงอเร็วก่อนที่เท้าจะยกออกจากพื้นประมาณครึ่งวินาทีถึงสองวินาที ส่งผลที่เห็นได้จริงเช่นกัน — ผลการทดลองแสดงว่า ผู้ใช้งานสามารถเดินได้อย่างสมดุลระหว่างขาทั้งสองข้างมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปลี่ยนความเร็ว โดยมีการปรับปรุงประสิทธิภาพประมาณ 18% เมื่อเทียบกับระบบรุ่นเก่าที่เพียงแต่ตอบสนองหลังจากเหตุการณ์เกิดขึ้นแล้ว (ตามงานวิจัยด้านไบโอเมคานิกส์ทางคลินิก (Clinical Biomechanics) จากปีที่ผ่านมา) และทั้งหมดนี้เกิดขึ้นได้เพราะระบบทำการปรับค่าล่วงหน้า แทนที่จะรอให้ปัญหาปรากฏขึ้นก่อนจึงค่อยดำเนินการ

• พลังงานในช่วงการแกว่งขา เพื่อเพิ่มระยะห่างจากพื้นดิน
• การลดแรงสั่นสะเทือนในช่วงยืนขา เพื่อให้การลดความเร็วมีเสถียรภาพ

การปรับตัวที่ขับเคลื่อนด้วยสัญญาณ EMG ช่วยลดค่าใช้พลังงานทางเมแทบอลิซึมลง 12% ระหว่างการเดินที่มีความเร็วเปลี่ยนแปลง และกำจัดการเคลื่อนไหวแบบชดเชยซึ่งพบได้บ่อยในแขนขาเทียมที่มีการตอบสนองล่าช้า

การออกแบบรุ่นใหม่: การขับเคลื่อนแบบต้านทานแปรผันเพื่อปรับสเกลความเร็วอย่างไร้รอยต่อ

การผสานรวมแอคทูเอเตอร์แบบไฮบริดที่มีส่วนประกอบยืดหยุ่นแบบอนุกรม (series-elastic) กับแดมเปอร์แบบแมกเนโตเรโอโลจิคัล

การออกแบบเข่าเทียมแบบไบโอนิกสมัยใหม่ในปัจจุบันผสมผสานตัวขับเคลื่อนแบบยืดหยุ่นเชิงอนุกรม (Series Elastic Actuators: SEAs) เข้ากับตัวลดแรงสั่นสะเทือนแบบแม่เหล็ก-เรโอโลจิคัล (Magnetorheological Dampers: MRs) เพื่อให้ได้การปรับเปลี่ยนความต้านทานแบบเรียลไทม์ที่เลียนแบบการทำงานของระบบชีวภาพ องค์ประกอบ SEA นั้นทำหน้าที่เก็บและปล่อยพลังงานยืดหยุ่นที่สะสมไว้ในระหว่างขั้นตอนต่าง ๆ ของการเดิน ส่วนตัวลดแรงสั่นสะเทือน MR จะปรับระดับความต้านทานผ่านการควบคุมด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเปลี่ยนความหนืดของของไหลพิเศษภายในตัวมัน ทำให้สามารถปรับค่าความแข็งและความลดแรงสั่นสะเทือนได้อย่างแม่นยำตามความเร็วในการเคลื่อนที่ของผู้ใช้งาน ผลการวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Bionic Engineering เมื่อปีที่แล้วระบุว่า การรวมกันของเทคโนโลยีทั้งสองนี้ช่วยลดการใช้พลังงานลงประมาณร้อยละ 40 เมื่อมีการเปลี่ยนความเร็วในการเดินเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการขับเคลื่อนแบบแข็งแบบดั้งเดิม ประโยชน์หลักบางประการที่ขาเทียมขั้นสูงเหล่านี้มอบให้มีดังนี้

• การจับคู่ความต้านทานแบบไดนามิก : การจัดแนวเชิงกลของข้อต่อโดยอัตโนมัติให้สอดคล้องกับลักษณะภูมิประเทศและความต้องการด้านความเร็ว
• การซึมซึมแรงกระแทก : การลดแรงกระแทกขณะส้นเท้าสัมผัสพื้นด้วยระบบ MR damping จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นที่ความเร็วสูง
• การรีไซเคิลพลังงาน : ระบบ SEA แปลงโมเมนตัมในช่วงขาเหวี่ยง (swing phase) ให้เป็นแรงบิดช่วยเหลือในช่วงขาทรงตัว (stance phase)

การควบคุมความต้านทานแบบแปรผัน (Variable-impedance control) ทำให้สามารถปรับใช้งานได้อย่างราบรื่นในช่วงความเร็ว 0.5–2.1 เมตร/วินาที โดยรักษารูปแบบการเคลื่อนไหวของข้อเข่าใกล้เคียงกับธรรมชาติโดยไม่จำเป็นต้องปรับค่าใหม่ด้วยตนเอง และเลียนแบบกลไกการปรับความยืดหยุ่นของหน่วยกล้ามเนื้อ-เอ็นในร่างกายมนุษย์ ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามความต้องการในการเดินอย่างแม่นยำ

คำถามที่พบบ่อย:

ประโยชน์หลักของการเปลี่ยนแปลงเวลาของแต่ละระยะการเดินตามความเร็วคืออะไร

การเปลี่ยนแปลงตามความเร็วช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของการเดิน โดยการปรับรูปแบบการเคลื่อนไหวของข้อเข่าให้เหมาะสม ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและสนับสนุนการทรงตัวในขณะเดินด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน

หัวเข่าไบโอนิกสมัยใหม่ประมาณความเร็วในการเดินอย่างไร

หัวเข่าไบโอนิกใช้เทคนิค sensor fusion ซึ่งรวมข้อมูลจากหน่วยวัดแนวโน้มการเคลื่อนไหว (IMUs) และตัวต้านทานไว้ต่อแรง (force-sensitive resistors) เพื่อกำหนดความเร็วในการเดิน และปรับการทำงานแบบเรียลไทม์เพื่อรักษาความมั่นคงและประสิทธิภาพ

แอคทูเอเตอร์แบบไฮบริด series-elastic และตัวลดแรงกระแทกด้วยเทคโนโลยี magnetorheological นำมาซึ่งความก้าวหน้าใดบ้างสำหรับหัวเข่าไบโอนิก

ชิ้นส่วนเหล่านี้ช่วยให้สามารถปรับค่าอิมพีแดนซ์แบบเรียลไทม์ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งส่งผลให้การจับคู่อิมพีแดนซ์แบบไดนามิกดีขึ้น การดูดซับแรงกระแทกเพิ่มขึ้น และการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยโดยรวมแล้วจะช่วยยกระดับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ขาเทียมและเลียนแบบหน้าที่ทางชีวภาพได้ดียิ่งขึ้น