Магнитные шарики могут обеспечить более точный контроль над протезами конечностей
Для людей с ампутацией и протезами одной из самых больших проблем является управление протезом, чтобы он двигался как естественная конечность. Большинство протезов конечностей контролируется электромиографией, методом регистрации электрической активности в мышцах, но этот подход обеспечивает ограниченный контроль над протезом.
Исследователи из Media Lab Массачусетского технологического института разработали альтернативный подход, который, по их мнению, может обеспечить гораздо более точный контроль над протезами конечностей. После введения небольших магнитных сфер в мышечную ткань ампутированного остатка они могут точно измерить длину мышцы по мере ее сокращения и передать эту обратную связь на бионический протез за миллисекунды.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science robotics , исследователи проверили свою новую стратегию под названием магнитомикрометрия (ММ) и показали, что она может обеспечить быстрые и точные измерения мышц у животных. Они надеются испытать этот подход на людях с ампутациями в ближайшие несколько лет.
«Мы надеемся, что ММ заменит электромиографию как доминирующий метод соединения периферической нервной системы с бионическими конечностями. И у нас есть эта надежда благодаря высокому качеству сигнала, которое мы получаем от MM, и тому факту, что он является минимально инвазивным и имеет низкие нормативные препятствия и затраты », — говорит Хью Херр, профессор медиаискусства и исследований в области медиа, глава подразделения Biomechatronics Group Media.
В существующих протезах электрические измерения мышц человека выполняются с использованием электродов, которые могут быть прикреплены к поверхности кожи или имплантированы в мышцу хирургическим путем. Последний метод очень инвазивный и дорогостоящий, но обеспечивает несколько более точные измерения. Однако в обоих случаях электромиография (ЭМГ) дает информацию только об электрической активности мышц, но не об их длине или скорости.Новая стратегия MIT основана на идее, что если бы датчики могли измерять, что делают мышцы, эти измерения позволили бы более точно контролировать протез. Для этого исследователи решили вставить в мышцы пары магнитов. Измеряя относительное движение магнитов, исследователи могут вычислить, насколько мышцы сокращаются и как быстро они сокращаются.
Два года назад Херр и Тейлор разработали алгоритм, который значительно сократил время, необходимое датчикам для определения положения небольших магнитов, встроенных в тело. Это помогло им преодолеть одно из самых серьезных препятствий при использовании ММ для управления протезами, а именно длительную задержку таких измерений.
В новой научной робототехнике В этой статье исследователи проверили способность своего алгоритма отслеживать магниты, вставленные в икроножные мышцы индейки. Используемые ими магнитные шарики имели диаметр 3 миллиметра и вставлялись на расстоянии не менее 3 сантиметров -; если они расположены ближе друг к другу, магниты стремятся двигаться навстречу друг другу.Используя серию магнитных датчиков на внешней стороне ног, исследователи обнаружили, что они могут определять местонахождение магнитов с точностью до 37 микрон (примерно ширины человеческого волоса). Скакательные суставы. Эти измерения можно было провести за три миллисекунды.
Чтобы контролировать протез конечности, эти измерения могут быть введены в компьютерную модель, которая на основе сокращений оставшейся мышцы предсказывает, где в пространстве будет находиться фантомная конечность пациента. Эта стратегия предписывает протезу двигаться так, как хочет пациент, и в соответствии с их мысленным представлением о положении конечностей.
«С помощью магнитомикрометрии мы напрямую измеряем длину и скорость мышцы», — говорит Герр. «Математически моделируя всю конечность, мы можем вычислить целевые положения и скорости протезных суставов, которыми нужно управлять, а затем простой контроллер робота сможет управлять этими суставами».Исследователи надеются провести небольшое исследование на людях с ампутациями ниже колена в ближайшие несколько лет. Вы представляете, что датчики контроля конечностей могут быть прикреплены к одежде, на поверхности кожи или снаружи протеза.
ММ также можно использовать для улучшения мышечного контроля, достигаемого с помощью техники, называемой функциональной электрической стимуляцией, которая в настоящее время используется для восстановления подвижности людей с травмами спинного мозга. Еще одно возможное применение этого типа магнитного управления — управление роботизированными экзоскелетами, которые можно прикрепить к лодыжке или другому суставу, чтобы помочь людям, перенесшим инсульт или развившим другие типы мышечной слабости.«По сути, магниты и экзоскелет действуют как искусственные мышцы, которые улучшают работу биологических мышц конечности, поврежденной инсультом», — говорит Герр. «Это похоже на гидроусилитель руля, который используется в автомобилях».
Еще одно преимущество метода ММ состоит в том, что он минимально инвазивен. После введения в мышцу бусинки могут оставаться на месте в течение всей жизни без замены.
Поделиться
Источник