Magnetisk-baseret system hjælper folk med at kontrollere bærbare robotter

Et team af forskere ved MIT har udviklet en innovativ måde at overvåge muskelbevægelser på. Ifølge holdet vil dette nye system gøre det lettere for folk at kontrollere lemmerproteser og andre bærbare robotanordninger.

To forskningsartikler blev offentliggjort i tidsskriftet Grænser inden for bioteknik og bioteknologi. 

Det magnetbaserede system har vist sig at være meget nøjagtigt og sikkert, og det kan spore længden af ​​muskler under bevægelse. Holdet udførte undersøgelser på dyr og viste, at strategien kunne bruges til at hjælpe personer med proteseanordninger med at kontrollere dem på en mere naturlig måde.

Cameron Taylor er en MIT-forsker og medforfatter af forskningen.

"Disse nylige resultater viser, at dette værktøj kan bruges uden for laboratoriet til at spore muskelbevægelser under naturlig aktivitet, og de tyder også på, at magnetiske implantater er stabile og biokompatible, og at de ikke forårsager ubehag," sagde Taylor. 

Måling af muskler under naturlige bevægelser

Forskningen viste, at de nøjagtigt kunne måle længden af ​​kalkunernes lægmuskler, da de udførte forskellige naturlige bevægelser som at løbe og hoppe. De målte disse med små magnetiske perler, som blev påvist ikke at forårsage betændelse eller andre negative virkninger efter at være blevet implanteret i musklen. 

Hugh Herr er professor i mediekunst og -videnskab, meddirektør for K. Lisa Yang Center for Bionics ved MIT og associeret medlem af MIT's McGovern Institute for Brain Research. 

"Jeg er meget begejstret for det kliniske potentiale af denne nye teknologi til at forbedre kontrollen og effektiviteten af ​​bioniske lemmer for personer med lemmertab," siger Herr. 

De strømdrevne protetiske lemmer styres normalt med en fremgangsmåde kaldet overfladeelektromyografi (EMG). I denne tilgang er elektroder fastgjort til overfladen af ​​huden eller implanteret i den resterende muskel i det amputerede lem i stand til at måle elektriske signaler fra en persons muskler. Disse målinger føres derefter ind i protesen for at hjælpe personen med at kontrollere den. 

EMG-tilgangen har nogle begrænsninger. For det første tager det ikke højde for nogen information om muskellængden eller hastigheden, som begge kunne gøre protesebevægelser mere nøjagtige. 

Magnetomikrometri strategi

MIT-teamets strategi er afhængig af en tilgang kaldet magnetomicrometry, som udnytter de permanente magnetiske felter, der omgiver de små perler, der er implanteret i en muskel. En lille sensor er fastgjort på ydersiden af ​​kroppen, og systemet kan spore afstandene mellem de to magneter. Magneterne bevæger sig tættere sammen, når en muskel trækker sig sammen og længere fra hinanden, når den bøjer. 

Forskerne viste, at dette system nøjagtigt kunne måle naturlige bevægelser i et ikke-laboratoriemiljø. Det opnåede de ved først at lave en forhindringsbane af ramper, som kalkuner kunne bestige. De konstruerede også kasser, som kalkunerne kunne hoppe af og på. Med den magnetiske sensor kunne holdet spore muskelbevægelser under aktiviteterne, og de konkluderede, at systemet kunne beregne muskellængder på mindre end et millisekund. 

Det nye system er langt mere effektivt end den traditionelle tilgang, der er afhængig af stort røntgenudstyr. 

"Vi er i stand til at levere muskellængdesporingsfunktionalitet af røntgenudstyr i rumstørrelse ved hjælp af en meget mindre, bærbar pakke, og vi er i stand til at indsamle data kontinuerligt i stedet for at være begrænset til de 10 sekunders bursts, der fluoromikrometi er begrænset til," siger Taylor. 

Ingen negative eller skadelige virkninger

I en anden undersøgelse relateret til forskningen fandt holdet, at magneterne ikke genererede vævsardannelse, betændelse eller andre skadelige virkninger. Det antydede også, at de implanterede magneter ikke forårsagede ubehag for kalkunerne. 

Implantaterne blev vist at forblive stabile i otte måneder, og de vandrede ikke mod hinanden, så længe de var placeret mindst tre centimeter fra hinanden. 

"Magneter kræver ikke en ekstern strømkilde, og efter at have implanteret dem i musklen, kan de bevare den fulde styrke af deres magnetiske felt gennem hele patientens levetid," siger Taylor. 

Forskerne vil nu se efter at få FDA-godkendelse til at teste systemet på mennesker. 

"Det sted, hvor denne teknologi udfylder et behov, er at kommunikere disse muskellængder og hastigheder til en bærbar robot, så robotten kan udføre på en måde, der fungerer sammen med mennesket," siger Taylor. "Vi håber, at magnetomikrometri vil gøre det muligt for en person at styre en bærbar robot med samme komfortniveau og samme lethed, som nogen ville kontrollere deres eget lem."