Magneettipohjainen järjestelmä auttaa ihmisiä hallitsemaan wearable-robotiikkaa

MIT:n tutkijaryhmä on kehittänyt innovatiivisen tavan seurata lihasliikkeitä. Tutkijaryhmän mukaan tämä uusi järjestelmä tekee siitä helpomman ihmisille hallita proteesiliikkeitä ja muita wearable-robotiikka laitteita.

Kaksi tutkimusartikkelia julkaistiin Frontiers in Bioengineering and Biotechnology -lehdessä.

Magneettipohjainen järjestelmä osoittautui erittäin tarkin ja turvalliseksi, ja se pystyy seuraamaan lihasten pituutta liikkeen aikana. Tutkijat suorittivat eläinten parissa tutkimuksia ja osoittivat, että strategia voisi auttaa yksilöitä, joilla on proteesilaitteita, hallitsemaan niitä luonnollisemmin.

Cameron Taylor on MIT:n tutkija ja yksi tutkimuksen johtajista.

”Nämä viimeaikaiset tulokset osoittavat, että tämä työkalu voidaan käyttää laboratorion ulkopuolella seuraamaan lihasliikkeitä luonnollisessa toiminnassa, ja ne myös osoittavat, että magneettiset implantit ovat stabiileja ja biokompatiibeleja eivätkä aiheuta epämukavuutta”, Taylor sanoo.

Lihasmittaus luonnollisissa liikkeissä

Tutkimus osoitti, että he voivat mitata kirkkoturkkien vasaran lihasten pituutta, kun ne suorittavat erilaisia luonnollisia liikkeitä, kuten juoksemista ja hyppimistä. He mitasivat nämä pienillä magneettisilla helmillä, jotka eivät aiheuta tulehdusta tai muita haitallisia vaikutuksia, kun ne on implantoitu lihaan.

Hugh Herr on median taiteiden ja tieteiden professori, K. Lisa Yang Center for Bionicsin johtaja MIT:ssä ja MIT:n McGovern Institute for Brain Researchin liitännäisjäsen.

”Olen erittäin innostunut tämän uuden teknologian kliinisestä potentiaalista parantamaan bionisten raajojen hallintaa ja tehokkuutta raajanmenetyksen sairastuneille”, Herr sanoo.

Nykyiset voimalliset proteesit ohjataan yleensä pinnan elektromyografia (EMG) -menetelmällä. Tässä lähestymistavassa sähköä johtavat elektrodit kiinnitetään ihon pintaan tai implantoituvat jäännöslihakseen, ja ne pystyvät mitataan sähköisiä signaaleja yksilön lihaksista. Nämä mitaukset syötetään proteesiin, jotta henkilö voi ohjata sitä.

EMG-lähestymistavalla on joitakin rajoituksia. Yksi niistä on, että se ei ottaa huomioon tietoa lihasen pituudesta tai nopeudesta, jotka voisivat tehdä proteesin liikkeet tarkin.

Magnetomicrometria

MIT-tutkijoiden strategia perustuu magnetomicrometriaan, joka hyödyntää pienien, lihaan implantoitujen helmiin ympäröivää pysyvää magneettikenttää. Pieni anturi kiinnitetään kehon ulkopuolelle, ja järjestelmä pystyy seuraamaan etäisyyksiä kahden magneetin välillä. Magneetit liikkuvat lähemmäs toisiaan, kun lihas supistuu, ja kauemmaksi toisistaan, kun se venyy.

Tutkijat osoittivat, että tämä järjestelmä pystyy mitataan luonnollisia liikkeitä laboratorion ulkopuolella. He saavuttivat tämän luomalla esteiden radan, jota turkit voivat kiipeää, ja rasioita, joille turkit voivat hypätä. Magneettisella anturilla tutkijat pystyivät seuraamaan lihasliikkeitä toiminnan aikana ja tulivat siihen tulokseen, että järjestelmä pystyy laskemaan lihasten pituuden alle millisekunnissa.

Uusi järjestelmä on paljon tehokkaampi kuin perinteinen lähestymistapa, joka perustuu suurten röntgenlaitteiden käyttöön.

”Pystymme tarjoamaan lihaspituuden seuraamisen huoneen kokoisen röntgenlaitteiston avulla paljon pienemmällä ja kannettavammalla paketilla, ja pystymme keräämään dataa jatkuvasti eikä ole rajoitettu 10 sekunnin mittaisiin jaksoihin, kuten fluoromicrometria”, Taylor sanoo.

Ei haitallisia vaikutuksia

Toisessa tutkimuksessa, joka liittyy tutkimukseen, tutkijat totesivat, että magneetit eivät aiheuta kudosten arviointia, tulehdusta tai muita haitallisia vaikutuksia. Se myös osoitti, että implantoitujen magneettien ei aiheuta epämukavuutta turkeille.

Implantit osoittautuivat stabiileiksi kahdeksan kuukauden ajan, eivätkä ne siirtyneet toisiaan kohti, kun ne asennettiin vähintään kolmen senttimetrin etäisyydelle toisistaan.

”Magneetit eivät vaadi ulkoista virtalähdettä, ja niiden implantoinnin jälkeen ne voivat ylläpitää koko voimakkuutensa magneettikentässä potilaan eliniän ajan”, Taylor sanoo.

Tutkijat tavoittelevat nyt FDA:n hyväksyntää testata järjestelmää ihmisillä.

”Paikka, jossa tämä teknologia täyttää tarpeen, on siinä, että se kommunikoi lihaspituudet ja -nopeudet wearable-robottiin, jotta robotti voi toimia tavalla, joka on yhteydessä ihmiseen”, Taylor sanoo. ”Toivomme, että magnetomicrometria mahdollistaa henkilölle hallita wearable-robottia samalla mukavuustasolla ja helppouttasolla kuin joku hallitsee omaa raajaansa.”