Инженеры в Калифорнийском технологическом институте запустили новую исследовательскую инициативу, направленную на восстановление естественной и стабильной локомоции у людей с нарушениями ходьбы, возникающими в результате травм спинного мозга и инсультов.
Эта инициатива, получившая название RoAM (Robotic Assisted Mobility) , объединяет вспомогательные роботизированные устройства, в том числе экзоскелеты и протезы, с нейроконтролем с искусственным интеллектом (ИИ). Инициатива RoAM объединяет исследования двух робототехников Caltech: Аарона Эймса, который создает алгоритмы, позволяющие ходить двуногим роботам, и переводит их для управления движением экзоскелетов и протезов; и Джоэл Бурдик, чьи чрескожные имплантаты уже помогли параплегикам в клинических испытаниях восстановить некоторые функции ног и, что особенно важно, контроль над туловищем.
Ряд компаний, занимающихся робототехникой, начали создавать экзоскелеты — устройства с роботизированными ножками, в которые человек может пристегнуться, — чтобы обеспечить мобильность людям, парализованным от талии. Проблема состоит в том, что все современные устройства требуют использования костылей для поддержания стабильности.
«Двуногую ходьбу трудно добиться стабильно», — говорит Эймс, профессор машиностроения и управления, а также динамических систем в отделе машиностроения и прикладных наук. «Хотя костыли помогают пользователям экзоскелетов оставаться в вертикальном положении, они подрывают многие преимущества для здоровья, которые в противном случае может обеспечить прямое передвижение. Кроме того, они не позволяют пользователям делать что-либо еще своими руками во время ходьбы».
Эймс создал программы, которые позволяют двуногим роботам ходить, делая их устойчивыми, применяя методы из теории нелинейного управления. Его подход привел к эффективной ходьбе гуманоидных роботов, наряду с динамическим поведением, таким как бег и прыжки. В сотрудничестве с французским производителем экзоскелетов Wandercraft и его коллегой Джесси Гриззл из Мичиганского университета Эймс перевел эти методы с роботов на силовые экзоскелеты нижней части тела. Конечным результатом стал первый динамический ходячий экзоскелет, который мог использоваться параплегиками без необходимости в костылях. По словам Эймса, это может дать параличу людей мобильность без помощи рук. В будущем, совмещение его работы со стимуляцией позвоночника обеспечит прямую обратную связь между пользователем и устройством.
Узнайте от Аарона Эймса и Джоэля Бурдика об их работе над RoAM. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.
Тем временем Бурдик, Ричард Л. и Дороти М. Хейман, профессор машиностроения и биоинженерии и научный сотрудник JPL, которым Caltech управляет в НАСА, занимаются разработкой спинных имплантатов, которые восстановили некоторые функции нижней части тела для пользователей в клинических испытаниях.
Имплантат, разработанный в сотрудничестве с биомедицинским инженером Caltech Yu-Chong Tai, профессором электротехники и медицинской техники Анны Л. Розен и экспертом по искусственному искусству Yisong Yue, доцентом вычислительной и математической науки, обеспечивает электрическую стимуляцию эпидурального пространства вокруг нижний спинной мозг при использовании ИИ для изучения в режиме реального времени моделей стимуляции, дающих наилучшие результаты для пользователей. В клинических испытаниях в UCLA, протез позволил парализованным пользователям стоять самостоятельно до 20 минут за один раз и добровольно двигать пальцами ног, лодыжками, коленями и бедрами.
У одного из участников тестирования спинального стимулятора также был экзоскелет, поэтому исследователи проверили две технологии вместе в испытании в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе три года назад. Они обнаружили, что когда спинальный стимулятор был включен, экзоскелету требовалось вдвое меньше энергии, чтобы двигаться на то же расстояние, что и при выключенном стимуляторе.
«Со стимулятором и экзокостюмом он почти наступил самому себе», — говорит Бердик. «Это раннее исследование было очень многообещающим».
Инициатива RoAM будет исследовать пересечение стимуляции спинного мозга, инфузированной искусственным интеллектом, с использованием экзоскелета модели Wandercraft Atalante, расположенного в Калифорнийском технологическом институте. « Экзоскелет Atalante и алгоритмы ходьбы, которые мы создали для него, уже достаточно хороши, чтобы позволить пользователям динамически ходить без костылей», — говорит Эймс. «Инициатива RoAM позволит им сделать это, используя меньше энергии и для различных видов динамического поведения при ходьбе, с целью улучшения повседневной жизни пользователей».
В конечном счете, инициатива RoAM будет выходить за рамки экзоскелетов и искать пути восстановления мобильности. Алгоритмы динамической ходьбы, разработанные Эймсом, уже были переведены на изготовленные по индивидуальному заказу протезы, размещенные в его лаборатории, в том числе на мощной ноге для пациентов выше колена. Кроме того, будут разработаны мягкие экзоскелеты — или экзокостюмы — чтобы помочь стабилизировать походку для людей, которые не парализованы, но страдают нарушениями подвижности.