Магнитная система помогает людям контролировать носимую робототехнику

Команда исследователей из MIT разработала инновационный способ отслеживать движения мышц. Согласно команде, эта новая система сделает более простым для людей управление протезными конечностями и другими носимыми роботизированными устройствами.

Были опубликованы два исследовательских документа в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Магнитная система была доказана как высокоточная и безопасная, и она может отслеживать длину мышц во время движения. Команда провела исследования на животных и продемонстрировала, что стратегия может быть использована для помощи людям с протезными устройствами контролировать их более естественным образом.

Кэмерон Тейлор – исследовательский ученый MIT и соавтор исследования.

«Эти недавние результаты демонстрируют, что этот инструмент может быть использован вне лаборатории для отслеживания движения мышц во время естественной активности, и они также предполагают, что магнитные имплантаты стабильны и биосовместимы и не вызывают дискомфорта», – говорит Тейлор.

Измерение мышц во время естественных движений

Исследование показало, что они могут точно измерить длину мышц голеней индеек во время различных естественных движений, таких как бег и прыжки. Они измеряли это с помощью небольших магнитных бусин, которые не вызывали воспаления или других негативных эффектов после имплантации в мышцу.

Хью Херр – профессор медиа-искусств и наук, ко-директор Центра бионики К. Лизы Янг в MIT и ассоциированный член Института мозговых исследований Макговерна в MIT.

«Я очень взволнован клиническим потенциалом этой новой технологии для улучшения управления и эффективности бионических конечностей для людей с потерей конечностей», – говорит Херр.

Текущие мощные протезные конечности обычно контролируются с помощью подхода, называемого поверхностной электромиографией (ЭМГ). В этом подходе электроды, прикрепленные к поверхности кожи или имплантированные в остаточную мышцу ампутированной конечности, могут измерить электрические сигналы от мышц человека. Эти измерения затем передаются в протез, чтобы помочь человеку контролировать его.

Подход ЭМГ имеет некоторые ограничения. Во-первых, он не учитывает информацию о длине или скорости мышц, которые могли бы сделать движения протеза более точными.

Стратегия магнитомикрометрии

Стратегия команды MIT основана на подходе, называемом магнитомикрометрией, который использует постоянные магнитные поля, окружающие небольшие бусины, имплантированные в мышцу. Небольшой датчик прикреплен к внешней стороне тела, и система может отслеживать расстояния между двумя магнитами. Магниты приближаются друг к другу, когда мышца сокращается, и удаляются друг от друга, когда она растягивается.

Исследователи продемонстрировали, что эта система может точно измерить естественные движения в ненаблюдаемой обстановке. Они достигли этого, создав препятствия из рамп, по которым индейки могли подниматься. Они также построили коробки, на которые индейки могли прыгать и спрыгивать. С помощью магнитного датчика команда могла отслеживать движения мышц во время активности и заключила, что система может рассчитать длину мышц менее чем за миллисекунду.

Новая система намного более эффективна, чем традиционный подход, который полагается на крупное рентгеновское оборудование.

«Мы можем предоставить функциональность отслеживания длины мышц оборудования размером с комнату, используя намного более компактный и портативный пакет, и мы можем собирать данные непрерывно, а не быть ограниченными 10-секундными всплесками, на которые ограничена флуоромикрометрия», – говорит Тейлор.

Нет негативных или вредных эффектов

Во втором исследовании, связанном с этим исследованием, команда обнаружила, что магниты не генерируют рубцевание тканей, воспаление или другие вредные эффекты. Это также предполагает, что имплантированные магниты не вызывают дискомфорта у индеек.

Имплантаты были показаны как стабильные в течение восьми месяцев, и они не мигрировали друг к другу, пока они были размещены на расстоянии не менее трех сантиметров друг от друга.

«Магниты не требуют внешнего источника питания, и после имплантации их в мышцу они могут сохранять полную силу своего магнитного поля в течение всей жизни пациента», – говорит Тейлор.

Исследователи теперь будут добиваться одобрения FDA для тестирования системы на людях.

«Место, где эта технология заполняет потребность, – это передача длин и скоростей мышц носимому роботу, чтобы робот мог работать в тандеме с человеком», – говорит Тейлор. «Мы надеемся, что магнитомикрометрия позволит человеку контролировать носимого робота с тем же уровнем комфорта и легкостью, с которой кто-то контролирует свою собственную конечность».