الأحذية الذكية تفتح مستقبل تتبع الصحة القائم على المشي

إحدى الأنشطة التي نمارسها جميعًا يوميًا هي المشي. قد لا تولي الكثير من الانتباه للطريقة التي تمشي بها أنت أو أي شخص آخر، إلا أن طريقة مشيته يمكن أن تكشف الكثير عن صحته.

ذلك لأن الجهاز العصبي المركزي يشارك في التحكم بحركة أطرافنا والحفاظ على الوضعية أثناء حركة الجسم.

الحركة المشوشة والمشي في الواقع نتيجة لأضرار عصبية، اضطرابات عضلية هيكلية، وأمراض تنكسية. تقليديًا، يتم تشخيص هذه الحالات من قبل الأطباء بناءً على الفحوصات الجسدية والطبية، مع إجراء تحليل المشية فقط في المستشفيات المتقدمة وعلى عدد محدود من المرضى.

يؤكد العديد من العلماء أن تحليل المشية يجب أن يُجرى على جميع المرضى المعرضين لهذه الأمراض، وكذلك على أولئك الذين يحتاجون إلى إعادة تأهيل طويلة الأمد. وهذا منطقي لعدة أسباب.

أولًا، حوالي 7٪ من سكان الولايات المتحدة يعانون من صعوبات حركية خطيرة، والتي تشير إلى مشاكل في المشي أو الجري أو التحرك أو صعود السلالم. تُعد هذه الصعوبات الحركية سمة شائعة ومهمة للعديد من الاضطرابات المعرفية العصبية مثل الخرف ومرض باركنسون (PD)، اللذين يتصاعدان في الانتشار.

مرض باركنسون، على وجه الخصوص، يؤدي إلى صعوبة في التحكم بحركة العضلات، مما يظهر كعدم استقرار وضعية وتجميد المشية. السكتة الدماغية أيضًا تسبب حركات غير متماثلة للأطراف.

ثم هناك التكلفة الضخمة المرتبطة بهذه الأمراض. على سبيل المثال، تكلف اضطرابات الحركة ما يقدر بـ 5٪ من الناتج المحلي الإجمالي للولايات المتحدة. والعديد من هذه الأمراض تُعرّف بتدهور التحكم الحركي، مثل المشية غير المتساوية وعدم انتظام المشي.

يمكن اكتشاف هذه التغييرات في العلامات الحركية قبل تشخيص المرض بوقت طويل، ويمكن أن تساعد في العلاج. على سبيل المثال، في مرض باركنسون، بحلول الوقت الذي تُستوفى فيه معايير التشخيص السريرية، تكون غالبية خلايا المريض العصبية قد تدهورت بالفعل.

لذلك، هناك حاجة واضحة لمراقبة المشية والضغط النباتي أثناء الأنشطة اليومية للمساعدة في الكشف المبكر عن مختلف الاضطرابات، مما يسمح بتدخل مبكر قد يمنع ويبطئ تقدم المرض.

التعرف على اضطرابات المشية في مرحلة مبكرة يتيح للمهنيين الصحيين اتخاذ نهج علاجي مخصص وتحسين نتائج المرضى بشكل عام.

بالإضافة إلى تشخيص وإدارة حالات معينة، يوفر تحليل المشية لدى كبار السن طريقة غير جراحية وفعّالة من حيث التكلفة للحفاظ على الصحة العامة والاستقلالية.

هنا، تُعد التكنولوجيا مثل الهواتف الذكية، المستشعرات، والأقمشة الحساسة بعض الخيارات منخفضة التكلفة والمتاحة بسهولة لمراقبة أنشطة الأفراد. الأجهزة القابلة للارتداء هي أداة مهمة أخرى يمكن أن تلعب دورًا حاسمًا، حيث توفر مراقبة يومية للمشي.

على وجه الخصوص، يقدّم دمج المستشعرات في الأحذية لإنشاء أجهزة إلكترونية قابلة للارتداء استراتيجية واعدة تتغلب على مشكلة منصات قياس الضغط المستخدمة حاليًا في الممارسة الطبية لقياس توزيع الضغط النباتي.

استخدام هذه المنصات محدود بالوقت والقيود المكانية. لذلك، قامت دراسة جديدة ببناء نظام نعل ذكي لاسلكي لمراقبة الضغط النباتي بدقة مكانية، وهو ما يشير إلى توزيع القوة عبر النعل أثناء الأنشطة التي تحمل وزنًا، مثل المشي. يتيح هذا النظام المتكامل ذاتيًا، القائم على الطاقة الذاتية، تصور المشية في الوقت الحقيقي بعدة أوضاع.

مراقبة المشية في الوقت الحقيقي عبر شبكة مستشعرات متكاملة

صمم الباحثون من جامعة ولاية أوهايو نعلًا ذكيًا قابلًا للارتداء يراقب كيفية وقوفك ومشيك وجريك في الوقت الحقيقي. يمكن لهذا النظام مساعدة المستخدمين ليس فقط على تحسين وضعيتهم ولكن أيضًا تقديم إنذارات مبكرة لحالات تتراوح من التهاب اللفافة الأخمصية البسيط، وهو سبب شائع لألم الكعب، إلى حالات أكثر خطورة مثل مرض باركنسون.

تم بناء هذا الجهاز القابل للارتداء باستخدام اثنين وعشرين مستشعر ضغط صغير (CNT/ACET/PDMS) وعلى أعلى الأحذية، تم استخدام ألواح شمسية صغيرة لتوفير الطاقة.

من أجل تشغيل النظام بالكامل بفعالية واستدامة، تم تصميم خلية شمسية بيروفسكايت مرنة (FPSC) ذات كثافة طاقة عالية، وكفاءة تحويل طاقة مرتفعة، ومرونة كافية لتحمل الضغوط الميكانيكية أثناء الاستخدام.

يوفر النظام تتبعًا صحيًا في الوقت الحقيقي استنادًا إلى طريقة مشي الشخص، وهي عملية فريدة مثل بصمات أصابعه.

يتم جمع بيانات استشعار الضغط ثم نقلها عبر البلوتوث إلى هاتف ذكي لتحليل سريع ومفصل. تُنقل البيانات في الوقت الحقيقي، مما يسمح للمستخدم برؤية توزيع الضغط النباتي في ثلاثة أوضاع مختلفة عبر تطبيق الهاتف الذكي.

“أجسامنا تحمل الكثير من المعلومات المفيدة التي لا ندركها حتى. هذه الحالات تتغير أيضًا مع مرور الوقت، لذا هدفنا هو استخدام الإلكترونيات لاستخلاص وفك تشفير تلك الإشارات لتشجيع فحوصات الرعاية الذاتية الصحية الأفضل.”

هذا، بالطبع، ليس أول محاولة من نوعها لإنشاء جهاز قابل للارتداء، الذي شهد اهتمامًا متزايدًا في السنوات القليلة الماضية. ومع ذلك، واجهت النماذج الأولية السابقة قيودًا في الطاقة وانخفاضًا في الأداء.

لذلك، يجب على الفريق التأكد من أن جهازهم القابل للارتداء متين، قادر على توفير طاقة ثابتة وموثوقة، ويمكنه جمع وتحليل البيانات بدقة عالية.

“جهازنا مبتكر من حيث الدقة العالية، الاستشعار المكاني، القدرة على توليد الطاقة الذاتية، وقدرته على الدمج مع خوارزميات التعلم الآلي. لذا نشعر أن هذا البحث يمكن أن يتقدم أكثر بناءً على النجاحات الرائدة في هذا المجال.”

– المؤلف الرئيسي للدراسة تشي وانغ، طالب دكتوراه في علوم المواد والهندسة بجامعة ولاية أوهايو

نُشر في مجلة Science Advances¹، توضح الدراسة تطوير النظام الذكي ذاتيًا بالكامل.

يتكون النعل هنا من طبقات تغليف من البولي إيميد (PI)، وأقطاب كهربائية، وأنابيب كربونية/فحم أسيتيلين/بوليديميثيل سيليكون (CNT/ACET/PDMS)، وطبقة PDMS. يُعرف PDMS بخصائصه المتوافقة حيويًا، ومرونته، وقدرته على تشكيل أشكال متعددة.

تُدمج المستشعرات بكثافة داخل طبقة PDMS، حيث تحول إشارات الضغط إلى إشارات كهربائية. تُجمع الإشارات بواسطة محول تماثلي إلى رقمي (ADC) على لوحة الدائرة المطبوعة (PCB) وتُنقل إلى جهاز محمول.

استخدام PDMS كمادة هيكلية للمستشعرات وتضمين المستشعرات داخل طبقة PDMS يتيح للنعل أن يكون متينًا للغاية، مما يمنحه القدرة على تحمل الشد، واللف، والطي.

انقر هنا لتتعرف على الملابس الذكية لالتقاط الحركة التي يمكن أن تغير الرياضة والعلاج الطبيعي.

التعرف على الحركة المدفوع بالذكاء الاصطناعي وحل الطاقة المستدامة

بالإضافة إلى تصميم وتطوير مستشعرات الضغط CNT/ACET/PDMS، حقق نظام النعل الذكي المتكامل واللاسلكي إنجازين رئيسيين آخرين، وهما ضمان إمداد طاقة مستدام واستخدام الذكاء الاصطناعي لالتقاط وحفظ حالات الحركة بدقة.

قام الفريق فعليًا بدمج نموذج آلة الدعم الناقل (SVM) في نظام النعل الذكي لتصنيف والتعرف على حالات الحركة البشرية المختلفة.

مقارنةً بنماذج التعلم العميق، يوفر هذا النموذج التعلمي مزايا سرعة التدريب الأسرع، وعدم الاعتماد على مجموعات بيانات ضخمة، وحدود قرار محددة جيدًا، وأهداف تحسين واضحة، مما يجعله مناسبًا لهذه الدراسة.

تم تدريب النموذج على بيانات تم جمعها تحت ثماني حالات حركة مختلفة. شملت مجموعة البيانات ما مجموعه 1275 عينة مُعلمة، تم استخدام 80٪ منها للتدريب والبقية للتحقق.

بعد التدريب، استطاع نموذج SVM تصنيف البيانات المدخلة وتوليد نتائج التعرف، والتي أشارت الدراسة إلى أنها 100٪ لجميع الحالات المدربة.

باستخدام هذا النموذج المتقدم، تمكن النظام من تحديد ثماني حالات حركة مختلفة. تشمل ذلك الحركات الساكنة مثل الجلوس والوقوف، إلى الحركات الديناميكية مثل القرفصاء والجري. كما يغطي الوقوف على ساق واحدة، المشي، وصعود ونزول السلالم.

في الوقت نفسه، يتيح توزيع المستشعرات من الأصبع إلى الكعب للباحثين رؤية كيفية اختلاف الضغط على أجزاء القدم بين الأنشطة المختلفة، مثل المشي مقابل الجري.

نظرًا لأن نمط الضغط المعقد يُلاحظ في منطقتي الأصبع والكعب، يتم وضع عدد أكبر من المستشعرات هناك، بينما توجد عدد أقل (فقط اثنان) في منطقة القوس. تضمن هذه الاستراتيجية التصميمية أن يتم التقاط معلومات الضغط الأساسية للقدم بفعالية حتى مع عدد محدود من المستشعرات.

كما هو متوقع، أثناء المشي يُطبق الضغط بشكل متسلسل من الكعب إلى الأصابع، على عكس الجري حيث يتعرض تقريبًا جميع المستشعرات للضغط في آن واحد. بالإضافة إلى ذلك، فإن وقت تطبيق الضغط أثناء المشي يمثل حوالي نصف الوقت الكلي فقط، وحوالي ربع ذلك أثناء الجري.

فيما يتعلق بالسلامة، يضمن الفريق أن جهازهم منخفض المخاطر باستخدام مواد مرنة وآمنة للنعل.

للاستخدام المستمر، قام الفريق بتركيب بطاريات ليثيوم صغيرة تُزود نظام الجهاز القابل للارتداء بالطاقة. تحول وحدات الطاقة الشمسية البيروفسكايت المرنة (FPSMs) ضوء الشمس إلى طاقة، ثم تُخزن في هذه البطاريات، مما يتيح إمدادًا طاقة ذاتيًا. تُدمج هذه البطاريات في منطقة قوس النعل لتعزيز الراحة والسهولة والثبات، ولا تؤثر على أنشطة المستخدم اليومية ولا تسبب أي ضرر.

نحو رعاية صحية مخصصة، وقائية، وتنبؤية

فيما يتعلق بالأداء، أظهرت النعال الذكية التي أنشأها الباحثون نتائج مبهرة. لم تسجل أي تدهور ملحوظ حتى بعد 180,000 دورة من الضغط وإزالة الضغط، مما يبرهن على استقرارها ومتانتها على المدى الطويل.

الواجهة مرنة ورقيقة جدًا، لذا حتى أثناء التشوه المتكرر، يمكنها البقاء وظيفية. الجمع بين البرمجيات والعتاد يعني أنها ليست محدودة كما كان.

– لي

لذلك، يهدف الباحثون من خلال نعاله الذكية إلى دعم تحليل المشية لاكتشاف الشذوذ المبكر المرتبط بالحالات العصبية، مثل مرض باركنسون، اضطرابات الجهاز العضلي الهيكلي، والحالات المتعلقة بضغط القدم مثل قرحات القدم السكري.

تكلفة النظام المنخفضة، إلى جانب صلابته الميكانيكية وسهولة تصنيعه، تسمح بتصاميم مخصصة ومريحة للمرضى الذين لديهم أقواس عالية أو أقدام مسطحة.

علاوة على ذلك، يتيح استخدام الذكاء الاصطناعي في النظام الجديد توفير رعاية صحية مخصصة لاحتياجات كل فرد ونمط حياته. وهذا يعني أن المستخدمين يمكنهم حتى استخدامه لتصحيح وضعيتهم، الوقاية من الإصابات، ومراقبة عملية التأهيل.

لكن هذا ليس كل شيء؛ يعتقد الباحثون أيضًا أن نظامهم يمكن تكييفه لتحسين الحركة، توقع التعب، وتدريب لياقة مخصص في المستقبل. أشارت الدراسة إلى:

بشكل عام، يُعد النعل الذكي المتكامل حلاً قابلًا للتطبيق لإحداث ثورة في ممارسات الرعاية الصحية للجيل القادم وإنترنت الأشياء. يمكن أن يتوسع المفهوم الذي يجمع بين التآزر بين المواد، الأجهزة، العتاد، والبرمجيات إلى مجالات بديلة، مما يفتح فرصًا مثيرة للتفاعل الرقمي بين البشر والعالم.

الآن، إذا كنت تتساءل متى يمكنك الحصول على هذه الأجهزة القابلة للارتداء، يتوقع الباحثون أن تكون التكنولوجيا متاحة تجاريًا خلال السنوات الثلاث إلى الخمس القادمة.

في الوقت الحالي، يعمل الباحثون على تحسين قدرة نظامهم على التعرف على الإيماءات، مما سيتطلب اختبارًا على مجموعات سكانية أكثر تنوعًا. وفقًا للي:

“لدينا العديد من الاختلافات بين الأفراد، لذا فإن إظهار وتدريب هذه القدرات الرائعة على مجموعات سكانية مختلفة هو شيء نحتاج إلى إيلائه مزيدًا من الاهتمام.”

انقر هنا لتتعرف على القناع الذكي الجديد الذي يمكنه تحليل رذاذ التنفس للأمراض في الوقت الحقيقي.

شركات مبتكرة

Nike Inc.

في عالم الأجهزة القابلة للارتداء، استحوذت عمالقة التكنولوجيا مثل Apple (AAPL ) وAlphabet Inc. (GOOG ) على حصة سوقية كبيرة. تتصدر Apple مجال التكنولوجيا الصحية القابلة للارتداء من خلال Apple Watch، بينما تترك Google بصمتها مع جهاز تتبع اللياقة Fitbit.

لكن اليوم، سنستعرض عملاق الأحذية Nike، الذي يواصل توسيع عروضه في الصحة الرقمية والملابس الذكية.

في سوق الأجهزة القابلة للارتداء، قدمت Nike عدة منتجات على مر السنين، بما في ذلك الأجهزة التي تُرتدى على المعصم مثل الساعات الرياضية وأشرطة تتبع النشاط.

في الصيف الماضي، أطلقت Nike حذاء كرة السلة ذات الربط الذاتي Adapt BB، الذي، كما يوحي اسمه، يتكيف مع شكل قدمك في الوقت الحقيقي لتوفير الشعور المثالي. يكتشف محرك مخصص وآلية تروس داخل الحذاء المساحة حول قدمك ثم يضبطها لتوفير ملاءمة مريحة.

يُعد Nike Adapt BB منتجًا أداءً يتم تحديثه باستمرار ويأتي مع تطبيق ونظام ربط قوي متقدم. اختارت الشركة كرة السلة كنقطة إطلاق حذائها، مع نظام FitAdapt الذي سيُطبق على منتجات رياضية وحياتية أخرى في المستقبل بمجرد تحسينه لتوفير ملاءمة جودة مثالية في كرة السلة.

كما أعلنت Nike عن شراكة مع مزود تكنولوجيا التعافي Hyperice لتطوير أحذية مدعومة بالتقنية تُدعى Hyperboot. هدف التعاون هو تطوير تقنية قابلة للارتداء للرياضي لتعزيز أدائه وتعافيه.

تم تصميم هذه الأحذية العالية القابلة للتشغيل بالبطارية لتفيد كلًا من الإحماء والتعافي. توفر الأحذية تدليكًا بالحرارة وضغط هوائي ديناميكي، يمكن ضبطه حتى ثلاثة مستويات بمجرد الضغط على زر.

يساعد Hyperboot على تجهيز الجسم للنشاط، سواء كنت تلعب من أجل لقب أو تقف كثيرًا في العمل.

– توبي هاتفيلد، المدير الأول للابتكار الرياضي في Nike

تعمل هذه الشراكة أيضًا على سترة متعددة الاستخدامات تستخدم مبردات حرارية كهربائية لتوفير تسخين وتبريد فوري، مما يتيح للرياضيين التحكم في البيئة التي لا يمكنهم التحكم فيها. تراقب مستشعرات الوحدات الحرارية في السترة درجة حرارة الجسم بشكل مستقل وتحافظ عليها.

بقيمة سوقية تبلغ 84.5 مليار دولار، يتم تداول أسهم Nike حاليًا عند 57.23 دولار، بانخفاض 24.5٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 3.01، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 19.04، وعائد على حقوق الملكية (TTM) 31.93٪. كما تدفع Nike عائدًا على الأرباح بنسبة 2.80٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، في مارس 2025، أبلغت Nike عن نتائج الربع الثالث التي انتهت في 28 فبراير 2025، حيث بلغت إيراداتها 11.3 مليار دولار، بانخفاض 9٪ عن العام السابق، بينما انخفض هامش الربح الإجمالي إلى 41.5٪، وبلغ ربح السهم المخفف 0.54 دولار، وهو انخفاض بنسبة 30٪.

كانت النقدية وما يعادلها والاستثمارات قصيرة الأجل في نهاية الربع 10.4 مليار دولار، بينما أعادت Nike 1.1 مليار دولار للمساهمين من خلال 594 مليون دولار كأرباح و499 مليون دولار كإعادة شراء أسهم.

ما هو مشجع هو أن NIKE أحدثت تأثيرًا هذا الربع، بقيادة الرياضة من خلال سرد قصص الرياضيين، منتجات الأداء، ولحظات رياضية كبرى. بيئة التشغيل ديناميكية، لكن ما يهم أكثر بالنسبة لـ NIKE هو خدمة الرياضيين من خلال ابتكار منتجات جديدة وإعادة إشعال زخم العلامة التجارية عبر الرياضة.

– الرئيس التنفيذي إليوت هيل

بالنسبة للربع الرابع، تتوقع الشركة تراجعًا أشد مما كان متوقعًا. ومن المثير للاهتمام أن الشركة هذا العام شغّلت أول إعلان لها في السوبر بول منذ ما يقرب من ثلاثة عقود. تواجه الشركة حاليًا تهديدًا من التعريفات المتبادلة التي فرضها الرئيس دونالد ترامب، والتي تؤثر على سلسلة إمدادها، خاصة في فيتنام وإندونيسيا والصين.
انقر هنا لتتعرف على الموجة التالية من الأجهزة القابلة للارتداء.

الخلاصة

مع تقدم سكان العالم في العمر بسرعة، يصبح الحفاظ على الوظيفة الجسدية والاستقلالية أمرًا مهمًا للغاية لرفاهيتهم العامة. هنا، تُعد مراقبة المشية مفتاحًا لتوفير طريقة فعّالة من حيث التكلفة لتقييم مختلف الحالات المرتبطة بالعمر التي تؤثر على الجهاز العصبي وتقديم رؤى قيمة حول صحة الأجيال الأكبر سنًا والقيود المحتملة على حركتها. كما يوفر تحليل المشية أداة تشخيصية مبكرة واعدة لاكتشاف الشذوذ قبل أن تصبح مزمنة أو معوقة.

يظهر النظام الذاتي الطاقة الأحدث، مع تحليله للمشية في الوقت الحقيقي، إمكانات هائلة في الصحة الوقائية. يمكن أن تجعل تكامله مع الذكاء الاصطناعي وتطبيقات الهواتف الذكية تصحيح الوضعية، الوقاية من الإصابات، وحتى اكتشاف السقوط متاحة للجماهير، مما يعزز صحة السكان ومستقبلًا أكثر صحة!

الدراسات المشار إليها:

1. Wang, Q., Guan, H., Wang, C., Lei, P., Sheng, H., Bi, H., Hu, J., Guo, C., Mao, Y., Yuan, J., Shao, M., Jin, Z., Li, J., & Lan, W. (2025). نعل ذكي لاسلكي ذاتي الطاقة لمراقبة المشية والتعرف عليها عبر استشعار الضغط التآزري غير الخطي. Science Advances, 11(16). https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1598 (GOOGL )