Den første af sin slags platform sigter mod hurtigt at fremme proteser

En ny open source, kunstigt intelligent benprotese designet af forskere ved University of Michigan og Shirley Ryan AbilityLab er nu tilgængelig for det videnskabelige samfund.

Benets free-to-copy design og programmering er beregnet til at forbedre patienternes livskvalitet og accelerere videnskabelige fremskridt ved at tilbyde en samlet platform til fragmenteret forskningsindsats på tværs af bionikområdet.

"Vores Open-Source Bionic Leg vil gøre det muligt for efterforskere effektivt at løse udfordringer forbundet med at kontrollere bioniske ben på tværs af en række aktiviteter i laboratoriet og ude i samfundet, " sagde hoveddesigner Elliott Rouse, kernefakultet ved U-M's Robotics Institute og adjunkt i maskinteknik. "Ud over, Vi håber, at vores bioniske ben vil forene forskere med en fælles hardwareplatform og gøre det muligt for nye efterforskere fra beslægtede områder at udvikle innovative kontrolstrategier."

Rouse og samarbejdspartner Levi Hargrove, direktør for Center for Bionic Medicine ved Shirley Ryan AbilityLab i Chicago, vil løfte sløret for benet og dets online platform på Amazon re:MARS konferencen i Las Vegas. Detaljer om, hvor du kan bestille delene, hvordan man sætter dem sammen og hvordan man programmerer benet er tilgængelige på opensourceleg.com.

Hargrove, som også er lektor i fysisk medicin og rehabilitering og biomedicinsk teknik ved Northwestern University, bruger allerede benet i kliniske undersøgelser.

"Mens design og kode er gratis, benet er stadig en high-end, state-of-the-art maskine, " sagde hun. "Det er et unikt plug-and-play-system, der gør det muligt for forskere at undgå forsknings- og udviklingsomkostninger i millioner af dollars og straks begynde at teste på proteser til knæ og ankel. Det sænker effektivt adgangsbarriererne for forskere."

Effektiv, det første af sin slags design

Mens du designer benet, Rouse fokuserede på at holde det enkelt, lav pris og bærbar, dog højtydende. Resultatet inkorporerer relativt billige dele fra kun få leverandører; et modulært design, der kan fungere som et knæ, ankel, eller begge; og en indbygget strømforsyning og kontrolelektronik, der gør det muligt at teste den overalt.

Ud over, holdet tilpassede og indarbejdede ny motorteknologi, der er udviklet til droneindustrien. De flade pandekagemotorer bytter mindre hastighed for mere drejningsmoment. Disse motorer med lavere gear giver mulighed for mere effektive, finere kontrol og mere menneskelignende bevægelser.

Forskere, der arbejder direkte med mennesker med handicap, skal ofte bygge deres eget robotbensystem, sagde Rouse. I stedet for at starte fra bunden, forskere kan tage denne fælles platform og, efter lidt samling, begynde at arbejde på bedre løsninger til at hjælpe mennesker med bevægelseshandicap. Den fælles platform muliggør også direkte sammenligninger af nye algoritmer, der bruges til at styre det bioniske ben, som forskere så kan gentage og bygge videre på.

Mens der er mange open source-proteser til overkroppen, såsom hænder, dette er den første sådan platform til underekstremiteterne. Forskning i bionikken i underekstremiteterne har traditionelt ligget bagud med proteserne i de øvre lemmer, primært på grund af den høje risiko for at opretholde balancen og støtte hele en patients krop.

Det fulde bioniske ben som specificeret koster $28, 500, som omfatter dele bearbejdet af Star Rapid, aktuatorer fra Dephy Inc., og en Raspberry Pi mini-computer, der driver den kunstige intelligens.

Den avancerede AI-baserede kontrol, ledet af Hargrove, kan tilpasse det bioniske bens handlinger til problemfrit at skifte aktiviteter, såsom at gå fra at gå til at gå op ad trapper til ned ad en rampe. For at opnå dette, holdet bruger en kombination af muskelkontraktionssignaler og sensordata fra det bioniske ben til at forudsige, hvilken adfærd der kræves til det næste trin.

Fællesskabsdrevet forskning og udvikling

Som et open source-projekt, alle kan bidrage til at forbedre benets design og funktion. Mens benet er ment som et forskningsværktøj og ikke som en bygge-at-home løsning, patienter involveret i projektet kan hjælpe med at fokusere og forbedre designet gennem deres feedback i forsøg. Virksomheder kan prototype benet med deres egne dele for at forbedre designet. Og, forskere kan bruge projektets hjemmeside til at diskutere ændringer og forslag i design og kontrol.

"Dette repræsenterer fremtiden for forskning - hurtig prototyping af open source robothardware og indlejrede systemer med delt kode, " sagde Rouse.