Джейкоб Розен (Jacob Rosen) разрабатывает пригодный к носке роботизированный «экзоскелет», который позволит человеку поднимать тяжелые объекты с минимальным усилием.

Это немного похоже на роботизированные доспехи, которые долгое время были основным атрибутом футуристических битв в научно-фантастических книгах и фильмах. Но что реально захватило Розена, так это потенциальные возможности устройства для помощи людям, пострадавшим от инсульта или страдающим дегенеративными заболеваниями.

«Люди с мышечной дистрофией и другими нейромышечными расстройствами могут использовать экзоскелет для увеличения своей мускульной силы. Кроме того, экзоскелет можно использовать в реабилитационной терапии и в физиотерапии,» говорит Розен, адъюнкт-профессор компьютерной инженерии в Инженерной школе Джека Баскина (Jack Baskin School of Engineering) Калифорнийского университета г.Санта Круз.

«Одной из основных задач в данной сфере является создание эффективного человеко-машинного интерфейса, или ‘биопорта,’ между оператором и надеваемым роботом — такого, чтобы робот стал естественным продолжением человеческого тела,» говорит он. «Этот биопорт можно легко установить на нейронном уровне, что даст возможность человеческому мозгу управлять надеваемым роботом с помощью сигналов того же типа, что и сигналы, используемые для управления его собственными рабочими органами и мышцами.»

Розен, который прибыл в Калифорнийский университет в прошлом году, влился в расширяющийся коллектив преподавателей высшей Инженерной школы Баскина, использующий свои знания для решения проблем биомедицины. Его проекты по медицинской робототехнике включают в себя дистанционно управляемую роботизированную систему для выполнения хирургических операций, а также экзоскелеты и связанные с ним темы.

Исследование Розена сфокусировано главным образом на взаимосвязи и взаимодействии между людьми и роботами в этих системах. «Медицинская робототехника по определению является многодисциплинарной сферой, и это одна из причин, по которой она меня так привлекает, » говорит он. «Одним из наиболее трудных вопросов в исследовании и разработке медицинских технологий является создание многодисциплинарной группы клиницистов и инженеров, которые смогут эффективно взаимодействовать и сотрудничать. Мы говорим на разных языках, и мы должны преодолеть эти барьеры, чтобы работать вместе. Но возможности принести пользу людям просто огромны.»

Созданный Розеном текущий прототип экзоскелета, разработанный при поддержке Национального научного фонда, состоит из двух пригодных к носке роботизированных рук, установленных на одной из стен его лаборатории при университете. Вставляя в него свои руки, он отметил, что можно получить серьезные травмы из-за несоответствия между конструкцией экзоскелета и анатомической структурой человеческой руки.

Две инновации отличают прототип Розена от других экзоскелетонных конструкций. Одна из них это особая конструкция экзоскелетонных рук, позволяющая пользователю выполнять 95% всего диапазона естественных движений, или «рабочей зоны» руки человека. Другая инновация, которая пока еще является предметом активных исследований, это метод использования неврологических сигналов для управления экзоскелетом.

«Используя управляющие сигналы собственного тела как входные сигналы для экзоскелета, вы можете достичь естественного контроля над роботом со стороны оператора-человека как над продолжением его/ее тела,,» говорит Розен.

Система использует неинвазивную поверхностную электромиографию (ЭМГ), при которой поверхностные электроды, помещенные на кожу, обнаруживают нейронную активность в отдельных мышцах и группах мышц. Система использует естественную физиологическую временную задержку между мозговой (нейронной) деятельностью и фактическим перемещением, вырабатываемым сокращением мышц. В течение этой временной задержки алгоритм работы компьютера может проанализировать и обработать сигналы ЭМГ, которые затем будут переданы в компьютерные модели мышечной системы вместе с дополнительной информацией, касающейся положения сустава и его скорости.

Мышечные модели предвычисляют перемещения суставов, которые мышцы оператора будут вырабатывать в ответ на нейронные сигналы, обнаруживаемые электромиографией. Эти предварительные вычисления затем посылаются к экзоскелету, для того чтобы он двигался согласованно с рукой оператора.

Розен продемонстрировал эту систему для контроля над единичным суставом (сгибание и разгибание локтя). Сейчас он работает над внедрением ее в управление более сложными движениями всей экзоскелетонной руки. Финансирование его работы осуществляет Исследовательский центр телемедицины и перспективных технологий Вооруженных сил США (U.S. Army Telemedicine and Advanced Technologies Research Center). Также Резон работает над экзоскелетом нижней конечности, который надевается на ноги.

Некоторые потенциальные применения экзоскелета не обязательно будут основаны на системах нервномышечного управления. По словам Розена, для физиотерапии, например, экзоскелет можно будет запрограммировать на выполнение пациентом предварительно заданных движений.

«Когда инсульт поражает двигательную область коры головного мозга, обычно происходит паралич одной стороны тела. Реабилитация основывается на способности мозга к восстановлению движений (пластичности мозга), но процесс обучения в физиотерапии занимает достаточно много времени,» говорит он.

Регуляция моторики в головном мозге может быть снижена до уровня младенца, который впервые учится входить в контакт с миром, говорит он. На взрослого человека такое состояние действует очень угнетающе, а сами процессы восстановления для него очень тяжелы, как физически, так и интеллектуально.

«Прогресс у пациента зачастую ограничивается тем объемом времени, которое они могут проводить с врачом-физиотерапевтом, поэтому автоматизированное устройство физиотерапии может ускорить процесс восстановления, а добавление компонента виртуальной реальности может сделать его интеллектуально более интересным,» говорит Розен.

Экзоскелет также можно использовать для обеспечения обратной связи по силе в системе виртуальной реальности – для создания ощущения удержания или взаимодействия с виртуальными объектами, например. По мнению Розена, «тактильная» технология обеспечивает взаимодействие с пользователем через осязание, а использование экзоскелета в качестве тактильного устройства дает простор к его применению в научной визуализации и манипулировании, в проведении игр и манипулировании. Розен объясняет, что тактильная обратная связь также нужна в применении к хирургическим роботам, чтобы обеспечить хирургу контактное восприятие при управлении роботом с отдельного пульта, который может быть расположен от самого робота достаточно далеко.

Розен был одним из партнеров в ведущем научно-исследовательском проекте, возглавляемом SRI (Институтом космических исследований) и финансируемом DARPA (Управлением перспективных исследовательских проектов), в котором операционная комната будущего была представлена как полностью автоматизированное помещение, включающее в себя только одного человека — пациента, в то время как хирург осуществлял дистанционное управление хирургическим роботом и другими автоматизированными системами. Проект показал, что сама операционная может быть автоматизирована полностью, но существует огромное количество препятствий для достижения автоматизации самого процесса операции. Даже автоматизация такой типичной процедуры, как наложение швов, требует создания сложных моделей биомеханики мягких тканей.

«Это колоссальная задача. И я, вероятно, потрачу на нее бόльшую часть своей карьеры,» говорит Розен.

Скептики возражают, что нет необходимости создавать роботов, выполняющих то, что уже надежно и эффективно выполняют сами хирурги. Но робот-хирург может выполнять манипулирование и обзор таких анатомических структур и оперируемых зон, которые недоступны для пальцев человека или ограничены полем зрения хирурга. Розен, который в настоящее время редактирует книгу по хирургической робототехнике считает, что роботизированные системы могли бы помочь хирургам исследовать такие процедуры операций, которые без их участия было бы невозможно выполнить. «Иногда вы сначала вынуждены предъявить людям новый инструмент, и только потом они обнаруживают, как именно они могут им воспользоваться,» говорит он.

Розен и его сотрудники планируют построить робота-хирурга в своей новой лаборатории при Калифорнийском университете. Если Розену обеспечат достаточное финансирование, он сможет построить семь систем-дубликатов и передать их другим исследовательским группам по всей территории Соединенных Штатов. «Чем больше людей будут разрабатывать новые алгоритмы для роботов-хирургов, тем быстрее в этой сфере будет отмечаться прогресс,» говорит Розен.

Категория: EXO-UL7 | Нет комментариев »

Комментарии