Магнітна система допомагає людям контролювати носимі робототехнічні пристрої

Команда дослідників з MIT розробила інноваційний спосіб моніторингу рухів м’язів. За словами команди, ця нова система полегшить людям контроль над протезними кінцівками та іншими носимими робототехнічними пристроями.

Два дослідницькі статті були опубліковані в журналі Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Магнітна система була доведена як високо точна і безпечна, і вона може відстежувати довжину м’язів під час руху. Команда провела дослідження на тваринах і продемонструвала, що стратегія могла бути використана для допомоги людям з протезними пристроями контролювати їх більш природним чином.

Кемерон Тейлор – дослідник MIT і співавтор дослідження.

“Ці останні результати демонструють, що цей інструмент може бути використаний поза лабораторією для відстеження руху м’язів під час природної діяльності, і вони також свідчать про те, що магнітні імплантати стабільні та біосумісні і що вони не викликають дискомфорту”, – сказав Тейлор.

Вимірювання м’язів під час природних рухів

Дослідження показало, що вони могли точно виміряти довжину м’язів гомілки індиків під час виконання різних природних рухів, таких як біг і стрибки. Вони виміряли це за допомогою малих магнітних кульок, які були доведені як не викликають запалення або інших негативних ефектів після імплантації в м’яз.

Х’ю Герр – професор медіа-мистецтв і наук, співдиректор Центру біоніки К. Ліси Янга в MIT і асоційований член Інституту дослідження мозку Макговарна в MIT.

“Я дуже радий клінічному потенціалу цієї нової технології для поліпшення контролю і ефективності біонічних кінцівок для осіб з втратою кінцівок”, – говорить Герр.

Поточні потужні протезні кінцівки зазвичай контролюються за допомогою підходу, який називається поверхневою електроміографією (EMG). У цьому підході електроди, прикріплені до поверхні шкіри або імплантовані в залишений м’яз ампутованої кінцівки, можуть виміряти електричні сигнали від м’язів людини. Ці вимірювання потім подаються в протез для допомоги людині контролювати його.

Підхід EMG має деякі обмеження. По-перше, він не враховує жодної інформації про довжину м’яза або швидкість, які могли б зробити рухи протезної кінцівки більш точними.

Стратегія магнітомікрометрії

Стратегія команди MIT залежить від підходу, який називається магнітомікрометрією, який використовує постійні магнітні поля навколо малих кульок, імплантованих в м’яз. Малий сенсор прикріплений до зовнішньої частини тіла, і система може відстежувати відстані між двома магнітами. Магніти рухаються ближче один до одного, коли м’яз скорочується, і далі один від одного, коли м’яз розтягується.

Дослідники продемонстрували, що ця система могла точно виміряти природні рухи в позалабораторному середовищі. Вони досягли цього, створивши спочатку перешкоди з рамп для індиків, по яких вони могли підніматися. Вони також побудували коробки для індиків, щоб стрибати на них і з них. За допомогою магнітного сенсора команда могла відстежувати рухи м’язів під час діяльності і дійшла висновку, що система могла розрахувати довжину м’яза менш ніж за мілісекунду.

Нова система значно ефективніша, ніж традиційний підхід, який залежить від великого рентгенівського обладнання.

“Ми можемо забезпечити функціональність відстеження довжини м’яза кімнатного рентгенівського обладнання за допомогою значно меншого портативного пакета, і ми можемо зібрати дані безперервно, а не бути обмеженими 10-секундними імпульсами, до яких обмежена флуоромікометрія”, – говорить Тейлор.

Немає негативних або шкідливих ефектів

У другому дослідженні, пов’язаному з цим дослідженням, команда виявила, що магніти не генерували тканинну рубцювання, запалення або інші шкідливі ефекти. Це також свідчить про те, що імплантовані магніти не викликали жодного дискомфорту у індиків.

Імплантати були показані як стабільні протягом восьми місяців, і вони не міграють один до одного, якщо вони розміщені не менше трьох сантиметрів один від одного.

“Магніти не потребують зовнішнього джерела живлення, і після імплантації їх у м’яз вони можуть зберігати повну силу свого магнітного поля протягом усього життя пацієнта”, – говорить Тейлор.

Дослідники тепер будуть намагатися отримати схвалення FDA для тестування системи на людях.

“Місце, де ця технологія заповнює потребу, полягає в передачі тих довжин і швидкостей м’язів до носимого робота, щоб робот міг виконувати дії в тандемі з людиною”, – говорить Тейлор. “Ми сподіваємося, що магнітомікрометрія дозволить людині контролювати носимого робота з тим же рівнем комфорту і легкістю, з якою людина контролює自己的 кінцівку.”