Algoritme kan forbedre hjernekontrollerede proteser og eksoskeletoner

Et team af forskere på MIT Media Lab har udviklet en algoritme, der lover at forbedre den samtidige sporing af et vilkårligt antal magneter betydeligt. Dette har betydelige konsekvenser for proteser, augmented reality, robotik, og andre felter.

Kandidatstuderende Cameron Taylor, lede forsker om tilgangen i Media Labs Biomechatronics -gruppe, siger, at algoritmen dramatisk reducerer den tid, det tager for sensorer at bestemme positioner og orienteringer af magneter indlejret i kroppen, træ, keramik, og andre materialer.

"Jeg har drømt i årevis om en minimalt invasiv tilgang til kontrol af proteser, og magneter tilbyder det potentiale, "siger Hugh Herr, professor i mediekunst og videnskab ved MIT og leder af gruppen Biomechatronics. "Men tidligere teknikker var for langsomme til at spore vævsbevægelser i realtid ved høj båndbredde."

Arbejdet, "Lav latens-sporing af flere permanente magneter, "er udgivet af IEEE Sensors Journal . MIT bachelor Haley Abramson er også medforfatter.

Sporing i realtid

Årevis, proteser har påberåbt sig elektromyografi til at fortolke meddelelser fra en brugers perifere nervesystem. Elektroder, der er fastgjort til huden ved siden af ​​musklerne, måler impulser fra hjernen for at aktivere dem.

Det er et mindre end perfekt system. Elektrodernes evne til at registrere signaler, der ændrer sig over tid, samt at estimere muskelbevægelsens længde og hastighed, er begrænset, og at bære enhederne kan være ubehageligt.

Forskere har længe forsøgt at finde en måde at bruge magneter, som kan være indlejret i kroppen på ubestemt tid, at styre højhastighedsrobotik. Men de blev ved med at løbe ind i en stor forhindring:Det tog computere for lang tid at bestemme præcist, hvor magneterne var og starte en reaktion.

"Softwaren skal gætte på, hvor magneterne er, og i hvilken retning, "Sagde Taylor." Det kontrollerer, hvor godt dets gæt er givet det magnetiske felt, det ser, og når det er forkert, det gætter igen og igen, indtil det er hjemme på stedet. "

Den proces, som Taylor sammenligner med et spil Hot and Cold, kræver meget beregning, som forsinker bevægelse. "Robotiske kontrolsystemer kræver meget høje hastigheder med hensyn til reaktivitet, "Siger Herr." Hvis tiden mellem sensing og aktivering af en konstrueret platform er for lang, enhedens ustabilitet kan forekomme. "

For at reducere tidsforsinkelsen i magnetsporing, en computer skulle hurtigt identificere, hvilken retning der var "varmest", før man gætter på en magnets placering. Taylor lå på gulvet derhjemme en dag og overvejede dette problem, da det slog ham, at den "varmeste" retning meget hurtigt kunne beregnes ved hjælp af simple computerkodningsteknikker.

”Jeg vidste med det samme, at det var muligt, hvilket var ekstremt spændende. Men jeg var stadig nødt til at validere det, " han siger.

Når den er valideret, Taylor og medlemmer af hans forskerhold måtte løse et andet problem, der komplicerer magnetsporing:forstyrrelse fra Jordens magnetfelt. Traditionelle metoder til at eliminere denne interferens var ikke praktiske for typen kompakt, mobilt system nødvendigt til proteser og eksoskeletoner.

Teamet landede på en elegant løsning ved at programmere deres computersoftware til at søge efter Jordens magnetfelt, som om det simpelthen var et andet magnetisk signal.

De testede derefter deres algoritme ved hjælp af et system med en række magnetometre, der sporer op til fire små, perle-lignende magneter. Testen viste, at i sammenligning med state-of-the-art magnetsporingssystemer, den nye algoritme øgede maksimale båndbredder med 336 procent, 525 procent, 635 procent, og 773 procent, når de bruges til at spore én samtidigt to, tre, henholdsvis fire magneter.

Taylor understregede, at en håndfuld andre forskere har brugt den samme afledte tilgang til sporing, men demonstrerede ikke sporing af flere magneter i bevægelse i realtid. "Dette er første gang, et team har demonstreret denne teknik til sporing i realtid af flere permanente magneter på én gang, " han siger.

Og sådan sporing har aldrig været anvendt tidligere som et middel til at fremskynde magnetisk sporing. "Alle implementeringer tidligere har brugt computersprog på højt niveau uden de teknikker, vi bruger til at øge hastigheden, "Siger Taylor.

Den nye algoritme betyder, ifølge Taylor og Herr, at magnetisk målsporing kan udvides til højhastighed, realtidsapplikationer, der kræver sporing af et eller flere mål, eliminerer behovet for et fast magnetometer array. Software aktiveret med den nye algoritme kan i høj grad forbedre refleksiv kontrol af proteser og eksoskeletoner, forenkle magnetisk levitation, og forbedre interaktionen med augmented og virtual reality -enheder.

"Der findes alskens teknologi til at implantere i nervesystemet eller musklerne til styring af mekatronik, men typisk er der en ledning over hudgrænsen eller elektronik indlejret inde i kroppen til at udføre transmission, "Herr siger." Det smukke ved denne tilgang er, at du injicerer små passive magnetiske perler i kroppen, og al teknologien forbliver uden for kroppen. "

Talrige applikationer

Biomechatronics -gruppen er primært interesseret i at bruge sine nye fund til at forbedre kontrollen med proteser, men Hisham Bedri, en kandidat fra Media Lab, der arbejder i augmented reality, siger, at potentielle anvendelser af fremskridtene er enorme på forbrugermarkedet. "Hvis du ville træde ind i virtual reality -verdenen og, sige, sparke en bold, det er super nyttigt til sådan noget, "Bedri siger." Dette bringer den fremtid tættere på en realitet. "

Folk sprøjter allerede sig selv med små magneter i håb om at bruge dem til at forbedre kroppens naturlige ydeevne, og dette rejser et interessant spørgsmål om offentlig politik, Siger Herr. "Når 'normale' mennesker ønsker at blive implanteret med magneter for at forbedre kroppens funktion, hvordan tænker vi om det? "siger han." Det er ikke en medicinsk enhed eller applikation, så under hvilket reguleringsorgan vil vi tillade Joe og Suzy at gøre det? Vi har brug for en kraftig politisk diskussion omkring dette spørgsmål. "

Gruppen har ansøgt om patent på sin algoritme og dens metode til brug af magneter til at spore muskelbevægelse. Det arbejder også med U.S. Food and Drug Administration om vejledning til overgang af højhastigheds-, bred båndbredde magnetisk sporing ind i det kliniske område.

Nu forbereder forskerne sig på at udføre præklinisk arbejde for at validere, at denne teknik vil fungere til at spore menneskeligt væv og kontrollere proteser og eksoskeletoner. "Jeg tror, ​​det er muligt, at vi ville begynde menneskelig testning så hurtigt som næste år, "Siger Herr." Dette er slet ikke noget, der er 10 år ude. "

Udover det? "Vores langsigtede vision for fremtiden er, at vi injicerer disse magneter i dig og mig og bruger dem til at betjene en ikke-militant Iron Man-dragt-alle ville gå rundt med superheltstyrke, "Taylor siger, kun halvdelen i sjov. "Helt seriøst, selvom, Jeg tror, ​​at dette er det manglende stykke for at lade os endelig tage magnetsporing og flytte det til et sted, hvor det kan bruges langt mere bredt. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.