أصبح التكامل التكنولوجي في الميكانيكا الحيوية والدور الذي يقوم به التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية نعمة للأشخاص ذوي الإعاقة، وقد استخدم كبار مصنعي مساعدات إعادة التأهيل مفهوم الشبكة العصبية لمحاكاة الوظائف التشريحية والبيوميكانيكية المختلفة للأجزاء المفقودة من جسم الإنسان، وقد أحدث إشراك التفاعل البشري مع مختلف العوامل مثل الدوائر الإلكترونية والبرمجيات والروبوتات وما إلى ذلك تأثيرًا ثوريًا في مجال إعادة التأهيل لتطوير أجهزة مثل الساق الاصطناعية أو الأطراف الاصطناعية للتحكم في جسم الإنسان والهياكل الخارجية، في هذا المقال سوف نناقش دور الذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية وإعادة التأهيل.
الأطراف الاصطناعية: الابتكار في التعويضات الطبية
تشمل الأطراف الاصطناعية أي جهاز صناعي يحل محل جزء مفقود من الجسم بسبب الإصابة أو المرض أو العيوب الخلقية، وقد قامت بعض الشركات بتطوير أنواع مختلفة من الأطراف الاصطناعية، فمنها ما هو تجميلي فقط، ومنها ما يمثل قفزة نوعية في المجال من خلال تصنيع أجهزة متطورة باستخدام التيتانيوم وألياف الكربون.
أما عن تصنيع هذه الأطراف باستخدام الميكانيكا الحيوية، فالأمر يشبه إلى حد كبير عملية صناعة النعال الطبية، يتم مسح نهاية الطرف المبتور رقميًا، ثم يتم تصميم تجويف خاص يُثبت عليه الطرف الاصطناعي، باستخدام الأقطاب الكهربائية، يتم استقبال الإشارات الكهربائية من العضلات وإرسالها إلى لوحة تحكم إلكترونية داخل الطرف الاصطناعي، والتي تقوم بترجمة هذه الإشارات إلى حركات فعلية.
فهم هندسة الأطراف الاصطناعية والأجهزة التقويمية
يركز مجال الأطراف الصناعية على إنشاء أطراف اصطناعية، في حين يصمم أخصائي تقويم العظام أجهزة لدعم أو تصحيح حالات الجهاز العضلي الهيكلي، تقليديًا، كان هذا المجال يعتمد على القياسات اليدوية والتعديلات الميكانيكية وطرق التجربة والخطأ، وعلى الرغم من فعالية هذه التقنيات، إلا أنها غالبًا ما تفتقر إلى الدقة والقدرة على التكيف لتحقيق نتائج مثالية.
تغير الذكاء الاصطناعي هذا المشهد من خلال دمج التعلم الآلي والروبوتات وتكنولوجيا الاستشعار، تعمل هذه الأدوات على تحويل الأجهزة الثابتة إلى أنظمة ديناميكية قادرة على التعلم والتطور بناءً على احتياجات المستخدم الفردية، والنتيجة هي مستوى جديد من الوظائف التي تحاكي الحركة الطبيعية وتستجيب بذكاء للتحديات البيوميكانيكية الفريدة.
تاريخ الذكاء الاصطناعي في الأطراف الصناعية والأجهزة التقويمية
أول طرف اصطناعي ذكي طوره تشارلز أ. بلاتشفورد وأولاده، المحدودة في عام 1993، والنسخة المحسنة عام 1995 والتي سميت بـ Intelligent Prosthesis Plus طور بلاتشفورد في عام 1998 طرفًا اصطناعيًا متكيفًا يجمع بين ثلاث آليات تشغيل هيدروليكية ونيوماتيكية ومعالج دقيق. تم تطوير الركبة التي تتحكم فيها المعالجات الدقيقة بالكامل في عام 1997 بواسطة أوتوبوك والمعروفة باسم C-leg.
في عام 2015، قدمت مجموعة Blatchford Linx، أول طرف متكامل بالكامل في العالم يحتوي على سبعة أجهزة استشعار وأربع وحدات معالجة مركزية في جميع أنحاء الساق، يسمح بتنسيق ومزامنة مفصل الركبة والكاحل من خلال استشعار وتحليل البيانات حول حركة المستخدم والأنشطة التي يقوم بها لجعلها تتم بشكل أكثر طبيعية.
أول يد صناعية أطلقتها شركة Touch bionics في عام 2007 بأصابع وإبهام يتم تشغيلهما بشكل فردي مع إمكانية الإمساك، تم دمج التصميم مرة أخرى بإبهام دوار يُعرف باسم تصميمات i-lim ultra وi-lim revolution المزروعة باستخدام Biosim وتطبيق My i-lim، تم طرح Bebionic تجاريًا في السوق في عام 2010 من تصنيع RSL steeper
إن مفهوم واجهة الكمبيوتر في الدماغ (BCI) التي تم تنفيذها بواسطة الأطراف الاصطناعية العصبية أو أطراف التحكم في العقل والتي يمكنها التعرف على البيانات في الوقت الفعلي والأداة للحصول على وظيفة طبيعية تقريبًا هو مطلب اليوم. تم تقديم الذراع الاصطناعية الذكية التي يتم التحكم فيها عن طريق العقل والتي تعتمد على تخطيط كهربية الدماغ في مؤتمر IEEE لعام 2016 ولكن حتى الآن لم يتم تسويقها.
يسير الباحثون على طريق تطوير أجهزة أكثر تعقيدًا تحاكي الدماغ الطبيعي من خلال تنفيذ الذكاء الاصطناعي على الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة والذي يقرأ ويرد على الإشارة العصبية التي تنتقل إلى الأطراف الاصطناعية والتقويمات الروبوتية التي تعزز وظيفة الجزء المبتور والمشلول من الجسم.
تطبيق الذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية
إن الذكاء الاصطناعي يقود تحولاً كبيراً في هندسة الأطراف الاصطناعية والأجهزة التقويمية، حيث يحول الأجهزة التقليدية إلى أدوات شخصية ذكية وقابلة للتكيف، ولا تعمل هذه الابتكارات على تحسين القدرة على الحركة فحسب، بل إنها تعمل على تعزيز جودة الحياة بشكل عام للأشخاص ذوي الإعاقات الجسدية، وباستخدام أحدث التطورات في مجال الذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية، أصبحت هذه الأجهزة أكثر استجابة وبديهية وتكاملاً مع الروتين اليومي، ومع تقدم الذكاء الاصطناعي، فإنه يسد الفجوة بين القدرة البشرية والدعم التكنولوجي بطرق كانت تعتبر مستحيلة في السابق.
لقد زاد دمج الذكاء الاصطناعي مع الميكانيكا الحيوية في التحكم في الأطراف الاصطناعية بشكل كبير، وبالتالي تمكن مبتور الطرف من تشغيل الطرف الاصطناعي بشكل مستحسن، في الآونة الأخيرة، تم تقديم طرف يتم التحكم فيه بالعقل (نوع من التحكم الكهربائي العضلي) كأحدث تقدم في نظام التحكم بمساعدة الذكاء الاصطناعي، توصل مشروع مشترك بين البنتاغون ومختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز (APL) إلى طرف اصطناعي معياري يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة أجهزة استشعار مزروعة في الدماغ، وسيعمل حتى على استعادة حاسة اللمس عن طريق إرسال نبضات كهربائية من الطرف إلى القشرة الحسية.
أنواع تطبيقات الذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية
ينقسم تطبيق الميكانيكا الحيوية والذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية والأجهزة التقويمية إلى أجزاء فرعية مختلفة وفقًا لمشاركة المنطقة المتأثرة:
- الأطراف الاصطناعية والتقويمية للأطراف السفلية
- الأطراف الاصطناعية والتقويمية للأطراف العلوية
- مساعدات إعادة التأهيل مثل أجهزة التنقل الآلية
دور الذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية
- تستخدم الأطراف الاصطناعية التي تعمل بالذكاء الاصطناعي خوارزميات للتكيف على الفور مع حركات المستخدم والتغيرات البيئية.
- تعمل الأرجل الاصطناعية التي تعمل بالذكاء الاصطناعي على تعديل المشي وتوزيع القوة بشكل ديناميكي عند التحرك من الأسطح المستوية إلى السلالم أو التضاريس الوعرة.
- تستفيد تقنية الذكاء الاصطناعي المخصصة والمعززة من بيانات التصوير وردود أفعال المستخدمين لتصميم أجهزة توفر ملاءمة مثالية ووظيفة محسنة.
- تقوم أدوات التصميم التوليدي بتصميم مقابس اصطناعية تناسب التشريح الفردي بدقة، مما يعزز الراحة ويقلل من نقاط الضغط.
- التكامل العصبي حيث تتيح واجهات الدماغ والآلة القائمة على الذكاء الاصطناعي للمستخدمين التحكم في الأطراف الاصطناعية عبر الإشارات العصبية.
- يفسر الذكاء الاصطناعي نشاط الدماغ لتنفيذ حركات دقيقة في الأطراف الاصطناعية، مما يوفر للمستخدمين استقلالية أكبر.
- تتبع تقنية الذكاء الاصطناعي للصيانة التنبؤية استخدام الأجهزة للتنبؤ بالتآكل والتلف، مما يضمن الصيانة في الوقت المناسب وعمرًا أطول.
- تنبه الدعامات التقويمية الذكية المزودة بأجهزة استشعار المستخدمين إلى المشكلات المحتملة قبل حدوث الأعطال.
- محاكاة الميكانيكا الحيوية تعمل الذكاء الاصطناعي على محاكاة الحركة البشرية لتحسين تصميمات الأطراف الاصطناعية والتقويمية قبل الإنتاج.
- تقوم الأدوات الرقمية بتقييم التوازن والمحاذاة وتوزيع الوزن، مما يسمح بإجراء تعديلات دقيقة أثناء التصميم.
الابتكارات التقنية في مجال الذكاء الاصطناعي
- الذكاء الاصطناعي التوليدي في التصميم يعمل الذكاء الاصطناعي على تعظيم الوظائف مع تقليل استخدام المواد من خلال إنشاء تصميمات فعالة ومحددة للمستخدم.
- تعمل النماذج الافتراضية على محاكاة أداء الجهاز، مما يسمح بإجراء تعديلات دقيقة وتقليل دورات التطوير.
- تتحسن الأطراف الاصطناعية المجهزة بأنظمة التعلم الذاتي من خلال الاستخدام وردود الفعل بمرور الوقت.
- تكامل أجهزة الاستشعار المتقدمة تعمل أجهزة الاستشعار التي تعمل بالذكاء الاصطناعي على تحليل أنماط الحركة والضغط، مما يؤدي إلى تحسين أداء الجهاز بشكل مستمر.
التحديات والاعتبارات الأخلاقية
- خصوصية البيانات : حماية معلومات المستخدم الحساسة التي تم جمعها بواسطة أنظمة الذكاء الاصطناعي.
- إمكانية الوصول : التأكد من أن هذه التقنيات متاحة للسكان المحرومين.
- التحيز في نماذج الذكاء الاصطناعي : التخفيف من الأخطاء التي قد تؤثر على وظائف الجهاز.
- الامتثال التنظيمي : تلبية المعايير الطبية الصارمة.
الاتجاهات المستقبلية
- الأطراف الاصطناعية العصبية : قد يؤدي تحسين الاتصال بين الدماغ والأجهزة إلى استعادة ردود الفعل الحسية.
- الأجهزة الحيوية الهجينة : قد يؤدي الجمع بين الذكاء الاصطناعي والأنسجة المعدلة وراثيًا إلى تحقيق تكامل سلس للجسم.
- التصنيع حسب الطلب : يمكن للذكاء الاصطناعي والطباعة ثلاثية الأبعاد تبسيط عملية تصنيع الأطراف الاصطناعية المخصصة، مما يقلل التكاليف وأوقات الانتظار.
- الأجهزة الذكية عاطفياً : قد تتكيف الأجهزة المستقبلية مع مشاعر المستخدم، مما يوفر دعماً إضافياً أثناء التوتر أو التعب.
في الختام، لا يمكن الدور الذي تاقوم به الميكانيكا الحيوية والذكاء الاصطناعي في تصميم الأطراف الصناعية والثورة التي حدثت في هندسة الأطراف الاصطناعية والأجهزة التقويمية من خلال تحويلها إلى أدوات ذكية تعمل على تعزيز الاستقلال والقدرة على الحركة.
ولكن على الرغم من التطورات الكبيرة التي شهدتها الأطراف الصناعية في السنوات القليلة الماضية، لا تزال هناك حاجة إلى أطراف صناعية أرخص وأكثر سهولة في الوصول إليها، لضمان توافرها لذوي الإعاقة مهما كانت إمكانايتهم المادية دون أن تقف حائل أمام فرصتهم في الحياة بشكل طبيعي، وهنا يأتي دور مركز HSI في تقديم حلول مبتكرة في مجال الهندسة الطبية، حيث يلتزم بتطوير القطاع من خلال مجموعة شاملة من الدورات المتخصصة وحلول الرعاية الصحية عالية الجودة، مما يساهم في تعزيز جودة الحياة للأفراد المحتاجين لهذه التقنيات.
المصدر: AI in Biomechanics: From Creating Cosmetic Prosthetics to Making Metahumans
