Magnetbaserat system hjälper människor att kontrollera bärbara robotar

Ett team av forskare vid MIT har utvecklat ett innovativt sätt att övervaka muskelrörelser. Enligt teamet kommer detta nya system att göra det lättare för människor att kontrollera proteser och andra bärbara robotenheter.

Två forskningsartiklar publicerades i tidskriften Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Det magnetbaserade systemet visade sig vara mycket exakt och säkert, och det kan spåra muskellängden under rörelse. Teamet genomförde studier på djur och visade att strategin kunde användas för att hjälpa personer med proteser att kontrollera dem på ett mer naturligt sätt.

Cameron Taylor är en forskare vid MIT och medförfattare till forskningen.

“Dessa senaste resultat visar att detta verktyg kan användas utanför laboratoriet för att spåra muskelrörelse under naturlig aktivitet, och de visar också att magnetiska implantat är stabila och biokompatibla och att de inte orsakar obehag,” säger Taylor.

Att mäta muskler under naturliga rörelser

Forskningen visade att de kunde mäta kalvmusklernas längd hos kalkoner medan de utförde olika naturliga rörelser som att springa och hoppa. De mätte detta med små magnetiska pärlor, som visade sig inte orsaka inflammation eller andra negativa effekter efter att ha implanterats i muskeln.

Hugh Herr är professor i media och vetenskap, meddirektör för K. Lisa Yang Center for Bionics vid MIT och associerad medlem av MIT:s McGovern Institute for Brain Research.

“Jag är mycket entusiastisk över den kliniska potentialen för denna nya teknik för att förbättra kontrollen och effektiviteten hos bioniska lemmar för personer med lemmförlust,” säger Herr.

De nuvarande motoriserade proteserna kontrolleras vanligtvis med en metod som kallas ytemyografi (EMG). I denna metod kan elektroder som fästs på hudens yta eller implanteras i den återstående muskeln i den amputerade lemmen mäta elektriska signaler från en persons muskler. Dessa mätningar matas sedan in i protesen för att hjälpa personen att kontrollera den.

EMG-metoden har vissa begränsningar. En av dem är att den inte tar hänsyn till information om muskellängd eller hastighet, vilka båda kunde göra protesrörelser mer exakta.

Magnetomikrometri-strategi

MIT-teamets strategi bygger på en metod som kallas magnetomikrometri, som utnyttjar de permanenta magnetiska fälten runt de små pärlor som implanteras i en muskel. En liten sensor fästs på utsidan av kroppen, och systemet kan spåra avståndet mellan de två magneterna. Magneterna kommer närmare varandra när en muskel kontraherar och längre ifrån varandra när den sträcks.

Forskarna visade att detta system kunde mäta naturliga rörelser i en icke-laboratoriemiljö. De skapade en hinderbana av rampor som kalkonerna kunde klättra på. De konstruerade också lådor som kalkonerna kunde hoppa på och av. Med den magnetiska sensorn kunde teamet spåra muskelrörelser under aktiviteterna och de drog slutsatsen att systemet kunde beräkna muskellängder på mindre än en millisekund.

Det nya systemet är mycket mer effektivt än den traditionella metoden som bygger på stora röntgenutrustningar.

“Vi kan tillhandahålla muskellängdsspårningsfunktioner för rumsskalig röntgenutrustning med ett mycket mindre, bärbart paket, och vi kan samla in data kontinuerligt istället för att vara begränsade till de 10-sekundersintervall som fluoromikrometri är begränsad till,” säger Taylor.

Inga negativa eller skadliga effekter

I en andra studie relaterad till forskningen fann teamet att magneterna inte genererade vävnadsskador, inflammation eller andra skadliga effekter. Det visade också att de implanterade magneterna inte orsakade något obehag för kalkonerna.

Implantaten visade sig vara stabila i åtta månader, och de migrerade inte mot varandra så länge de placerades minst tre centimeter ifrån varandra.

“Magneterna kräver ingen extern strömkälla, och efter att de implanterats i muskeln kan de upprätthålla full styrka i sitt magnetiska fält under patientens livstid,” säger Taylor.

Forskarna kommer nu att söka FDA-godkännande för att testa systemet på människor.

“Detta är där tekniken fyller ett behov, i att kommunicera muskellängder och hastigheter till en bärbar robot, så att roboten kan utföra en funktion som fungerar i samspel med människan,” säger Taylor. “Vi hoppas att magnetomikrometri kommer att möjliggöra för en person att kontrollera en bärbar robot med samma komfortnivå och samma lätthet som om de skulle kontrollera sin egen lem.”