Magnetisches System hilft Menschen, tragbare Roboter zu steuern

Ein Team von Forschern am MIT hat eine innovative Methode entwickelt, um Muskelbewegungen zu überwachen. Laut dem Team wird dieses neue System es Menschen ermöglichen, Prothesen und andere tragbare Robotergeräte einfacher zu steuern.

Zwei Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Das magnetbasierte System wurde als hochgenau und sicher bewiesen und kann die Länge von Muskeln während der Bewegung verfolgen. Das Team führte Studien an Tieren durch und demonstrierte, dass die Strategie verwendet werden kann, um Menschen mit Prothesen zu helfen, diese auf eine natürlichere Weise zu steuern.

Cameron Taylor ist ein Forschungswissenschaftler am MIT und Co-Autor der Studie.

“Diese jüngsten Ergebnisse zeigen, dass dieses Tool außerhalb des Labors verwendet werden kann, um Muskelbewegungen während natürlicher Aktivitäten zu verfolgen, und sie deuten auch darauf hin, dass magnetische Implantate stabil und biokompatibel sind und keine Unannehmlichkeiten verursachen”, sagte Taylor.

Muskeln während natürlicher Bewegungen messen

Die Forschung zeigte, dass sie die Längen der Wadenmuskeln von Truthähnen genau messen konnten, während diese verschiedene natürliche Bewegungen wie Laufen und Springen ausführten. Sie messen diese mit kleinen magnetischen Perlen, die sich als nicht entzündlich oder schädlich erwiesen, nachdem sie in den Muskel implantiert wurden.

Hugh Herr ist Professor für Medienkunst und -wissenschaften, Co-Direktor des K. Lisa Yang Center for Bionics am MIT und assoziiertes Mitglied des McGovern Institute for Brain Research am MIT.

“Ich bin sehr aufgeregt über das klinische Potenzial dieser neuen Technologie, um die Steuerung und Wirksamkeit von bionischen Gliedmaßen für Menschen mit Gliedmaßenverlust zu verbessern”, sagt Herr.

Die derzeitigen motorisierten Prothesen werden normalerweise mit einem Ansatz namens Oberflächen-Elektromyographie (EMG) gesteuert. Bei diesem Ansatz können Elektroden, die auf der Haut oder im verbleibenden Muskel des amputierten Glieds implantiert sind, elektrische Signale von den Muskeln des Einzelnen messen. Diese Messungen werden dann in die Prothese eingespeist, um dem Menschen zu helfen, sie zu steuern.

Der EMG-Ansatz hat einige Einschränkungen. Einerseits berücksichtigt er keine Informationen über die Muskel-Länge oder -Geschwindigkeit, die beide die Bewegungen von Prothesen genauer machen könnten.

Magnetomikrometrie-Strategie

Die Strategie des MIT-Teams basiert auf einem Ansatz namens Magnetomikrometrie, der die permanenten magnetischen Felder um die kleinen Perlen nutzt, die in einen Muskel implantiert werden. Ein kleiner Sensor wird außerhalb des Körpers befestigt, und das System kann die Entfernungen zwischen den beiden Magneten verfolgen. Die Magneten kommen näher zusammen, wenn ein Muskel sich zusammenzieht, und weiter auseinander, wenn er sich streckt.

Die Forscher demonstrierten, dass dieses System natürliche Bewegungen in einem nicht-laborbasierten Umfeld genau messen kann. Sie erreichten dies, indem sie zunächst einen Hindernisparcours aus Rampen erstellten, den Truthähne erklimmen konnten. Sie bauten auch Kisten, auf die die Truthähne springen und von denen sie springen konnten. Mit dem magnetischen Sensor konnte das Team Muskelbewegungen während der Aktivitäten verfolgen und schlussfolgerte, dass das System Muskel-Längen in weniger als einer Millisekunde berechnen kann.

Das neue System ist viel effizienter als der herkömmliche Ansatz, der auf großen Röntgengeräten basiert.

“Wir können die Funktionalität der Muskel-Längen-Verfolgung von raumgroßen Röntgengeräten mit einem viel kleineren, portablen Paket bereitstellen, und wir können die Daten kontinuierlich sammeln, anstatt auf die 10-Sekunden-Blöcke beschränkt zu sein, die die Fluoromikrometrie begrenzt”, sagt Taylor.

Keine negativen oder schädlichen Auswirkungen

In einer zweiten Studie im Zusammenhang mit der Forschung fand das Team heraus, dass die Magneten keine Gewebenekrosen, Entzündungen oder andere schädliche Auswirkungen verursachten. Es deutete auch darauf hin, dass die implantierten Magneten den Truthähnen keine Unannehmlichkeiten verursachten.

Die Implantate wurden als stabil für acht Monate gezeigt, und sie wanderten nicht aufeinander zu, solange sie mindestens drei Zentimeter voneinander entfernt waren.

“Magneten benötigen keine externe Stromquelle, und nach der Implantation in den Muskel können sie die volle Stärke ihres magnetischen Feldes während der gesamten Lebensdauer des Patienten beibehalten”, sagt Taylor.

Die Forscher werden nun versuchen, die Genehmigung der FDA zu erhalten, um das System an Menschen zu testen.

“Der Bereich, in dem diese Technologie einen Bedarf deckt, ist die Kommunikation dieser Muskel-Längen und -Geschwindigkeiten an einen tragbaren Roboter, damit der Roboter auf eine Weise funktioniert, die mit dem Menschen zusammenarbeitet”, sagt Taylor. “Wir hoffen, dass die Magnetomikrometrie es einem Menschen ermöglichen wird, einen tragbaren Roboter mit dem gleichen Komfortniveau und der gleichen Leichtigkeit zu steuern wie jemand, der sein eigenes Gliedmaß steuert.”