Исследователи из Гарварда разработали уникальный мягкий костюм, который может помочь людям, пережившим инсульт, и пациентам с боковым амиотрофическим склерозом (БАС) восстановить важные движения верхних конечностей. Устройство, которое исследователи называют «носимым роботом», использует надувные шары, расположенные под руками пациента, которые расширяются и сжимаются в зависимости от желаемого движения.
Сочетание программного обеспечения для машинного обучения и отдельной модели, основанной на физических законах, помогает роботу интерпретировать намерения пациента и соответствующим образом адаптировать свои действия.
Результаты тестирования
В ходе испытаний робот смог правильно определить предполагаемое движение плеча пользователя в 94,2% случаев. После активации устройство помогло снизить количество усилий, необходимых пациенту для опускания руки, на 31,9% по сравнению с предыдущей моделью. Это означает меньшее напряжение и усталость для пациентов.
В исследовании приняли участие пять человек, перенёсших инсульт, и четверо пациентов с БАС. Каждый участник сообщил об улучшении подъёма плеча и разгибания запястья, а также об уменьшении усталости при выполнении таких задач, как дотянуться до предмета или удержать его.
Эти результаты позволяют предположить, что носимое устройство может сыграть важную роль в дополнении физиотерапии для пациентов, стремящихся восстановить подвижность. Для некоторых людей с серьёзными нарушениями конечностей это может стать путём к восстановлению способности выполнять повседневные задачи, такие как чистка зубов или глоток воды.
Результаты экспериментального исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.
Как работает устройство
Устройство изготовлено из ткани и надевается на верхнюю часть тела, как жилет с длинными рукавами, и питается от аккумулятора. На поверхности устройства расположены датчики, которые питаются от модели машинного обучения. Датчики улавливают едва заметные движения пользователя. Затем модель машинного обучения определяет, было ли каждое движение преднамеренным. Это решение отправляется обратно на устройство, которое надувает или сдувает шары с воздухом, чтобы помочь поднять или опустить руку.
Профессор Гарварда Томмазо Проетти сказал в заявлении ранее в этом году: «По сути, это рубашка с надувными пневматическими приводами под мышкой. Надутый шар помогает носителю противостоять гравитации, чтобы двигать плечом и рукой».
Версия носимого робота, представленная в новом исследовании Nature Communications, улучшает предыдущую модель, показанную ранее в этом году, за счёт включения дополнительной модели, основанной на физических законах. Эта вторая модель рассчитывает минимальное давление, необходимое для удержания конечности пациента на месте, делая помощь менее жёсткой и более естественной для движения.
Для тестирования команда попросила участников исследования надеть устройство и выполнить различные движения руками. Они измерили производительность устройства с помощью системы захвата движения, аналогичной тем, которые используются для отслеживания тела в видеоиграх и фильмах. Данные захвата движения показали заметное увеличение диапазона движений в плечах, запястьях и локтях.
Кейт Нич, одна из волонтёров исследования, страдающая БАС, сказала, что исследователи также прислушивались к отзывам пользователей устройства. «Они не сидят в лаборатории и просто играют с роботом, — сказала Нич в заявлении. — Я чувствовала, что они были действительно вовлечены в работу со мной. Я не чувствовала себя лабораторной крысой или винтиком в механизме».
Более мягкий и доступный экзоскелет
Более крупные и жёсткие устройства для помощи телу, широко известные как «экзоскелеты», уже используются для помощи некоторым людям в восстановлении функций конечностей. Первоначально предложенные Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) как способ помочь солдатам поднимать тяжёлые предметы, эта технология с тех пор была принята многими исследователями и частными компаниями, которые сосредоточены на улучшении мобильности для более широкой аудитории.
Эти устройства доказали свою эффективность, помогая пациентам с ограниченными возможностями улучшить способность ходить. Они также могут помочь предотвратить падения у пожилых людей, действуя как высокотехнологичный ходунок в стиле научной фантастики.
Мягкий носимый робот, исследованный учёными из Гарварда, менее сложен (и менее функционален), чем экзоскелет для всего тела, но это также может быть частью его привлекательности. Меняя металлические каркасы на мягкий, привычный жилет, носимый робот предлагает более экономичное и доступное решение для миллионов людей по всему миру, которым может потребоваться умеренная поддержка конечностей.