Magnetisk baseret system hjælper mennesker med at styre bærbare robotter

Et hold af forskere på MIT har udviklet en innovativ måde at overvåge muskelbevægelser. Ifølge holdet vil dette nye system gøre det lettere for mennesker at styre proteser og andre bærbare robotenheder.

To forskningsartikler blev offentliggjort i tidsskriftet Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Det magnetbaserede system blev bevist at være meget præcist og sikkert, og det kan spore muskellængden under bevægelse. Holdet udførte studier på dyr og demonstrerede, at strategien kunne bruges til at hjælpe personer med proteser til at styre dem på en mere naturlig måde.

Cameron Taylor er en forskningsvidenskabsmand på MIT og medforfatter til forskningen.

“Disse seneste resultater viser, at dette værktøj kan bruges uden for laboratoriet til at spore muskelbevægelser under naturlig aktivitet, og de antyder også, at magnetiske implantater er stabile og biokompatible og ikke forårsager ubehag,” siger Taylor.

Måling af muskler under naturlige bevægelser

Forskningen viste, at de kunne måle længden af kalkuners muskler under forskellige naturlige bevægelser som løb og hop. De målte disse med små magnetiske kugler, som blev demonstreret ikke at forårsage inflammation eller andre negative effekter efter at være implaceret i musklen.

Hugh Herr er professor i medievidenskab og -teknologi, meddirektør for K. Lisa Yang Center for Bionics på MIT og associeret medlem af MIT’s McGovern Institute for Brain Research.

“Jeg er meget begejstret for den kliniske potentiale for denne nye teknologi til at forbedre kontrollen og effekten af bioniske lemmer for personer med lemmer, der er tabt,” siger Herr.

De nuværende aktiverede proteser styres normalt med en tilgang kaldet overflade-elektromyografi (EMG). I denne tilgang kan elektroder, der er fastgjort til overfladen af huden eller implaceret i den resterende muskel i det amputerede lem, måle elektriske signaler fra en persons muskler. Disse målinger indføres derefter i protesen for at hjælpe personen med at styre den.

EMG-tilgangen har nogle begrænsninger. For det første tager den ikke hensyn til nogen information om muskellængde eller -hastighed, hvilket begge kunne gøre protesbevægelser mere præcise.

Magnetomicrometri-strategi

MIT-holdets strategi bygger på en tilgang kaldet magnetomicrometri, som udnytter de permanente magnetfelter omkring de små kugler, der er implaceret i en muskel. En lille sensor er fastgjort til kroppens yderside, og systemet kan spore afstanden mellem de to magneter. Magneternes afstand ændrer sig, når en muskel kontraherer og udvider sig.

Forskerne demonstrerede, at dette system kunne måle naturlige bevægelser i en ikke-laboratorieindstilling. De opnåede dette ved først at oprette en forhindringsbane af ramper, som kalkuner kunne klatre på. De byggede også kasser til kalkunerne til at hoppe på og af. Med den magnetiske sensor kunne holdet spore muskelbevægelser under aktiviteterne og konkluderede, at systemet kunne beregne muskellængder på under en millisekund.

Det nye system er langt mere effektivt end den traditionelle tilgang, der afhænger af stor x-ray-udstyr.

“Vi kan levere muskel-længde-sporsningsfunktioner af rum-størrelse x-ray-udstyr med en langt mindre, bærbar pakke, og vi kan indsamle data kontinuerligt i stedet for at være begrænset til de 10-sekunders impulser, som fluoromicrometri er begrænset til,” siger Taylor.

Ingen negative eller skadelige effekter

I en anden studie relateret til forskningen fandt holdet, at magneterne ikke genererede vævsskade, inflammation eller andre negative effekter. Det antydede også, at de implacerede magneter ikke forårsagede nogen ubehag for kalkunerne.

Implantaterne viste sig at være stabile i otte måneder og migrerede ikke mod hinanden, så længe de var placeret mindst tre centimeter fra hinanden.

“Magneter kræver ikke en ekstern strømkilde, og efter at være implaceret i musklen kan de opretholde den fulde styrke af deres magnetfelt hele patientens liv igennem,” siger Taylor.

Forskerne vil nu søge om FDA-godkendelse til at teste systemet på mennesker.

“Det sted, hvor denne teknologi fylder et behov, er i kommunikation af disse muskellængder og -hastigheder til en bærbar robot, så robotterne kan fungere på en måde, der fungerer i tandem med mennesket,” siger Taylor. “Vi håber, at magnetomicrometri vil enable en person til at styre en bærbar robot med samme komfortniveau og samme letthed som en person ville styre deres eget lem.”