ساخت عضلات مصنوعی نرم با کمک هوش مصنوعی

به گزارش مجله خبری نگار/برنا - پژوهشگران در ایالات متحده موفق به توسعه عضلات مصنوعی پیشرفته‌ای شده‌اند که به کمک هوش مصنوعی و مواد زیستیِ انعطاف‌پذیر ساخته شده‌اند. این عضلات قادرند از بدن انسان یاد بگیرند، در زمان واقعی (real-time) خود را با شرایط تطبیق دهند و حرکاتی طبیعی، نرم و ایمن ایجاد کنند؛ ویژگی‌ای که می‌تواند در روند توانبخشی بیماران نقشی موثر ایفا کند.

الهام از ساختار طبیعی عضلات و تاندون‌ها

به گزارش موسسه فناوری جورجیا، این عضلات مصنوعی از الیاف ساختاریافته‌ی سلسله‌مراتبی (hierarchically structured fibers) ساخته شده‌اند که از چندین لایه انعطاف‌پذیر تشکیل می‌شوند. این ساختار چندلایه شباهت زیادی به بافت واقعی عضله و تاندون دارد و موجب می‌شود این الیاف بتوانند حس کنند، خود را با حرکت تطبیق دهند و حتی به خاطر بسپارند که پیش‌تر چگونه حرکت کرده‌اند.

هونگ، استاد مهندسی مکانیک در دانشکده مهندسی "جورج دبلیو وودراف" این دانشگاه، درباره این پژوهش می‌گوید: وقتی بیشتر مردم به ربات‌ها فکر می‌کنند، تصاویری از ماشین‌هایی فلزی، سخت و غول‌پیکر مثل "ترمیناتور" یا "روبات پلیس" در ذهنشان شکل می‌گیرد. اما ما در حال ساخت چیزی کاملاً متفاوت هستیم؛ عضلاتی نرم، منعطف و پاسخ‌گو که از بافت انسانی الهام گرفته‌اند، نه از فلز و ماشین.

به گفته او تیم تحقیقاتی با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشینی، توانسته است نحوه واکنش این مواد انعطاف‌پذیر را در لحظه تنظیم کند تا در هر موقعیت، میزان درستی از نیرو، انعطاف یا سختی را اعمال کنند.

یادگیری از تجربه و سازگاری طبیعی

این عضلات تنها به دستورات از پیش تعیین‌شده واکنش نشان نمی‌دهند؛ بلکه از تجربه می‌آموزند. آنها می‌توانند در برابر شرایط مختلف سازگار شوند و خود را اصلاح کنند. به همین دلیل حرکات حاصل از این عضلات نرم‌تر، طبیعی‌تر و نزدیک‌تر به واکنش‌های بدن انسان است.

یئو تاکید می‌کند که نتایج این پژوهش تنها جنبه فناورانه ندارد، بلکه بعد انسانی بسیار عمیقی دارد. او می‌گوید: برای فردی که در حال بازیابی توان حرکتی پس از سکته یا از دست دادن اندام است، هر حرکت آگاهانه نه‌تنها قدرت فیزیکی را بازمی‌سازد، بلکه اعتمادبه‌نفس، استقلال و حس هویت را نیز در او احیا می‌کند.

چالش‌های زیستی و مواد سازگار با بدن

ساخت عضلاتی که هم نرم باشند و هم قدرتمند، هم پاسخ‌گو و هم ایمن، یکی از چالش‌های بزرگ این حوزه است. مواد مورد استفاده باید در عین کارایی بالا باعث تحریک سیستم ایمنی بدن نشوند و بتوانند در درون بدن دوام بیاورند. از این رو پژوهشگران به دنبال ساخت موادی هستند که نه‌تنها در محیط زیستی بدن زنده بمانند، بلکه یاد بگیرند بخشی از آن باشند.

هوش مبتنی بر حافظه و حسگر در عضلات مصنوعی

یافته‌های این تحقیق در نشریه Materials Horizons منتشر شده است. در این مقاله پژوهشگران ضمن مرور پیشرفت‌ها در زمینه مواد عملکردی، طراحی ساختاری و فناوری‌های ساخت، بر دو نوع هوش مصنوعی در عضلات مصنوعی تمرکز کرده‌اند:

• هوش مبتنی بر حافظه (Memory-based intelligence) که به عضله اجازه می‌دهد مجموعه‌ای از حرکات از پیش‌برنامه‌ریزی‌شده را اجرا کرده و در مواجهه با شرایط جدید، حالات حرکتی ذخیره‌شده را تازه‌سازی کند.

• هوش مبتنی بر حسگر (Sensory-based intelligence) که امکان درک محیط و واکنش به تغییرات بیرونی از طریق بازخورد حسی را فراهم می‌سازد.

این دو نوع هوش با هم موجب می‌شوند عضلات مصنوعی بتوانند به‌صورت خودکار تصمیم‌گیری کنند و حرکاتشان را با شرایط متغیر تنظیم کنند.

آینده عضلات مصنوعی هوشمند

یئو و همکارانش می‌گویند هدف آنها صرفاً توسعه یک قطعه مکانیکی نیست، بلکه خلق سیستمی است که با بدن انسان همکاری کند، نه اینکه در برابر آن عمل کند. اگر قرار است این عضله بخشی از بدن فرد شود، باید با بدن او کار کند، نه علیه آن.

تیم تحقیقاتی مؤسسه فناوری جورجیا این الیاف مصنوعی را مانند ابزار‌های دقیق آزمایشگاهی تنظیم و کالیبره می‌کند تا با حرکات طبیعی بدن هم‌زمان شوند. در گذر زمان این الیاف نوعی حافظه عضلانی پیدا می‌کنند و به‌صورت پویا خود را با تغییرات محیطی و بدنی هماهنگ می‌سازند. به گفته یئو، این توانایی انطباق زنده و پویا همان ویژگی‌ای است که مرز میان یک ماشین مکانیکی و یک اندام مصنوعی واقعا زنده را مشخص می‌کند.