Et lovende skridt til at vende tilbage bipedal mobilitet

Ingeniører hos Caltech har lanceret et nyt forskningsinitiativ, der har til formål at genoprette naturlig og stabil bevægelse for personer med gangbesvær, der skyldes rygmarvsskader og slagtilfælde.

Dette initiativ, kaldet RoAM (Robotic Assisted Mobility), forener robothjælpemidler – inklusive exoskeletter og proteser – med kunstig intelligens (AI)-infunderet neurokontrol. RoAM-initiativet kombinerer forskning fra to Caltech-robotikere:Aaron Ames, hvem skaber de algoritmer, der gør det muligt at gå med bipedale robotter og oversætter disse til at styre bevægelsen af ​​exoskeletter og proteser; og Joel Burdick, hvis transkutane spinale implantater allerede har hjulpet paraplegikere i kliniske forsøg med at genvinde en vis benfunktion og, afgørende, torso kontrol.

En række robotvirksomheder er begyndt at bygge eksoskeletter - enheder med robotben, som en person kan spænde fast i - for at give mobilitet til personer, der er lammet fra taljen og ned. Problemet er, at alle de nuværende enheder kræver brug af krykker for at opretholde stabiliteten.

"Tobenet gang er svært at opnå på en stabil måde, " siger Ames, Bren Professor i Mekanik og Teknik og Styring og Dynamiske Systemer i Afdelingen for Teknik og Anvendt Videnskab. "Mens krykker hjælper brugere af exoskeletterne til at holde sig oprejst, de undergraver mange af de sundhedsmæssige fordele, som opretstående bevægelser ellers kunne give. Ud over, de tillader ikke brugere at gøre andet med deres hænder, mens de går."

Det er her, Ames og Burdicks arbejde kommer ind.

Ames har bygget programmer, der tillader tobenede robotter at gå, at gøre dem stabile ved at anvende metoder fra ikke-lineær kontrolteori. Hans tilgang har resulteret i effektiv gang af humanoide robotter, sammen med dynamisk adfærd som løb og hop. I samarbejde med den franske eksoskeletproducent Wandercraft og hans kollega Jessy Grizzle fra University of Michigan, Ames har oversat disse metoder fra robotter til drevne exoskeletter i underkroppen. Slutresultatet var det første dynamiske gående eksoskelet, der kunne bruges af paraplegikere uden brug af krykker. Dette har potentialet til at give paraplegikere håndfri mobilitet, siger Ames. I fremtiden, kobling af sit arbejde med spinal stimulation vil muliggøre direkte feedback mellem brugeren og enheden.

I mellemtiden Burdick, Richard L. og Dorothy M. Hayman professor i maskinteknik og bioteknik og forsker ved JPL, som Caltech administrerer for NASA, har udviklet rygmarvsimplantater, der har genoprettet en del funktion i underkroppen til bærere i kliniske forsøg.

Implantatet, udviklet i samarbejde med Caltech biomedicinsk ingeniør Yu-Chong Tai, Anna L. Rosen professor i elektroteknik og medicinsk teknik, og AI-ekspert Yisong Yue, adjunkt i databehandling og matematiske videnskaber, giver elektrisk stimulation til epiduralrummet omkring den nedre rygmarv, mens du bruger AI til at lære, i realtid, de stimulationsmønstre, der giver de bedste resultater for bærerne. I kliniske forsøg på UCLA, protesen tillod lammede brugere at stå på egen hånd i op til 20 minutter ad gangen og frivilligt bevæge tæerne, ankler, knæ, og hofter.

En af deltagerne, der testede spinalstimulatoren, havde tilfældigvis også et eksoskelet, og så testede forskerne de to teknologier sammen i et forsøg på UCLA for tre år siden. De fandt ud af, at når spinalstimulatoren blev tændt, eksoskelettet krævede halvt så meget kraft for at bevæge sig den samme afstand som med stimulatoren slukket.

"Med stimulatoren og exosuiten, han trådte næsten selv, " siger Burdick. "Det tidlige studie var meget lovende."

RoAM-initiativet vil udforske skæringspunktet mellem AI-infunderet rygmarvsstimulering ved hjælp af et Wandercraft Atalante-eksoskelet placeret ved Caltech. "Atalante-eksoskeletet og de gangalgoritmer, vi har skabt til det, er allerede gode nok til at give brugerne mulighed for at gå dynamisk uden krykker, " siger Ames. "RoAM-initiativet vil lade dem gøre det ved at bruge mindre strøm og for en række forskellige dynamiske gangadfærder, med det mål at forbedre brugernes hverdag."

Ultimativt, RoAM-initiativet vil gå ud over eksoskeletter i at udforske måder at genoprette mobiliteten på. De dynamiske gangalgoritmer udviklet af Ames er allerede blevet oversat til specialbyggede proteser anbragt i hans laboratorium, inklusive et drevet ben til amputerede over knæet. Derudover bløde eksoskeletter - eller exosuits - vil blive udviklet for at hjælpe med at stabilisere gangarter for personer, der ikke er lammet, men er bevægelseshæmmede.