Magnetisk basert system hjelper mennesker å kontrollere bærbare roboter

Et team av forskere ved MIT har utviklet en innovativ måte å overvåke muskelbevegelser. Ifølge teamet vil dette nye systemet gjøre det lettere for mennesker å kontrollere proteser og andre bærbare robotenheter.

To forskningsartikler ble publisert i tidsskriftet Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Det magnetbaserte systemet viste seg å være svært nøyaktig og trygt, og det kan spore lengden på muskler under bevegelse. Teamet utførte studier på dyr og demonstrerte at strategien kunne brukes til å hjelpe personer med proteser å kontrollere dem på en mer naturlig måte.

Cameron Taylor er en forskningsscientist ved MIT og medforfatter av forskningen.

“Disse nyeste resultater viser at dette verktøyet kan brukes utenfor laboratoriet for å spore muskelbevegelse under naturlig aktivitet, og de antyder også at magnetiske implantater er stabile og biokompatible og at de ikke forårsaker ubehag,” sier Taylor.

Måling av muskler under naturlige bevegelser

Forskningen viste at de kunne måle lengden på kalkuners muskler nøyaktig mens de utførte ulike naturlige bevegelser som løping og hopping. De målte disse med små magnetiske kuler, som viste seg å ikke forårsake betennelse eller andre negative effekter etter å ha blitt implantert i muskelen.

Hugh Herr er professor i mediearter og vitenskap, meddirektør for K. Lisa Yang Center for Bionics ved MIT, og en assosiert medlem av MITs McGovern Institute for Brain Research.

“Jeg er svært spennende for det kliniske potensialet i denne nye teknologien for å forbedre kontrollen og effikasiteten av bioniske lemmer for personer med lemmer som mangler,” sier Herr.

De nåværende drevne proteser kontrolleres vanligvis med en tilnærming kalt overflate-elektromyografi (EMG). I denne tilnærmingen kan elektroder som er festet til overflaten av huden eller implantert i resten av muskelen i den amputerte lemmen måle elektriske signaler fra en persons muskler. Disse målingene blir deretter sendt til protesen for å hjelpe personen å kontrollere den.

EMG-tilnærmingen har noen begrensninger. For det første tar den ikke med informasjon om muskelens lengde eller hastighet, begge av disse kunne gjøre proteserbevegelser mer nøyaktige.

Magnetomikrometri-strategi

MIT-teamets strategi bygger på en tilnærming kalt magnetomikrometri, som utnytter de permanente magnetiske feltene rundt de små kulene som er implantert i en muskel. En liten sensor er festet til utsiden av kroppen, og systemet kan spore avstanden mellom de to magnetene. Magnetene kommer nærmere hverandre når en muskel kontraherer og lengre fra hverandre når den strekkes.

Forskerne demonstrerte at dette systemet kunne måle naturlige bevegelser i en ikke-laboratorieinnstilling. De oppnådde dette ved først å lage en hinderløype av ramper som kalkuner kunne klatre. De konstruerte også bokser som kalkunene kunne hoppe på og av. Med den magnetiske sensoren kunne teamet spore muskelbevegelser under aktivitetene, og de konkluderte med at systemet kunne beregne muskelens lengde på mindre enn en millisekund.

Det nye systemet er langt mer effektivt enn den tradisjonelle tilnærmingen som avhenger av stor X-ray-utstyr.

“Vi er i stand til å tilby muskel-lengde-sporsfunksjonalitet av rom-størrelsen X-ray-utstyr med en mye mindre, bærbar pakke, og vi er i stand til å samle inn data kontinuerlig i stedet for å være begrenset til de 10-sekunders burst som fluoromikrometri er begrenset til,” sier Taylor.

Ingen negative eller skadelige effekter

I en annen studie relatert til forskningen, fant teamet at magnetene ikke genererte vevsskade, betennelse eller andre negative effekter. Det antydet også at de implanterte magnetene ikke forårsaket noen ubehag for kalkunene.

Implantatene viste seg å være stabile i åtte måneder, og de ikke migrerte mot hverandre så lenge de var plassert minst tre centimeter fra hverandre.

“Magneter trenger ikke en ekstern strømkilde, og etter å ha implantert dem i muskelen, kan de opprettholde full styrke av sitt magnetiske felt gjennom hele pasientens levetid,” sier Taylor.

Forskerne vil nå søke om godkjenning fra FDA for å teste systemet på mennesker.

“Stedet hvor denne teknologien fyller et behov er i å kommunisere disse muskelens lengder og hastigheter til en bærbar robot, så at roboten kan utføre på en måte som fungerer i tandem med mennesket,” sier Taylor. “Vi håper at magnetomikrometri vil kunne gjøre det mulig for en person å kontrollere en bærbar robot med samme komfortnivå og samme letthet som en person ville kontrollere sine egne lemmer.”