Ingenieurs van Caltech hebben een nieuw onderzoeksinitiatief gelanceerd dat gericht is op het herstellen van de natuurlijke en stabiele voortbeweging van personen met loopproblemen die het gevolg zijn van ruggenmergletsels en beroertes.

Dit initiatief, genaamd RoAM (Robotic Assisted Mobility), verenigt robothulpmiddelen, waaronder exoskeletten en prothesen, met door kunstmatige intelligentie (AI) geïnfundeerde neurocontrole. Het RoAM-initiatief combineert het onderzoek van twee Caltech-robotici:Aaron Ames, die de algoritmen maakt die het lopen door tweevoetige robots mogelijk maken en deze vertaalt om de beweging van exoskeletten en prothesen te regelen; en Joel Burdick, wiens transcutane spinale implantaten al hebben geholpen bij klinische proeven met een dwarslaesie om een ​​of andere beenfunctie te herstellen en, cruciaal, romp controle.

Een aantal roboticabedrijven is begonnen met het bouwen van exoskeletten - apparaten met robotbenen waar een persoon zich aan kan vastmaken - om mobiliteit te bieden aan personen die vanaf hun middel verlamd zijn. Het probleem is dat alle huidige apparaten het gebruik van krukken vereisen om de stabiliteit te behouden.

"Tweevoetig lopen is moeilijk op een stabiele manier te bereiken, " zegt Ames, Bren Hoogleraar Werktuigbouwkunde en Regeltechniek en Dynamische Systemen bij de Afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen. "Terwijl krukken gebruikers van de exoskeletten helpen rechtop te blijven, ze ondermijnen veel van de gezondheidsvoordelen die een rechtopstaande motoriek anders zou kunnen bieden. In aanvulling, ze laten gebruikers tijdens het lopen niets anders met hun handen doen."

Hier komt het werk van Ames en Burdick om de hoek kijken.

Ames heeft programma's gebouwd waarmee tweevoetige robots kunnen lopen, stabiel maken door methoden uit de niet-lineaire regeltheorie toe te passen. Zijn aanpak heeft geresulteerd in efficiënt lopen door humanoïde robots, samen met dynamisch gedrag zoals rennen en springen. In samenwerking met de Franse fabrikant van exoskeletten Wandercraft en zijn collega Jessy Grizzle van de Universiteit van Michigan, Ames heeft deze methoden vertaald van robots naar aangedreven exoskeletten van het onderlichaam. Het eindresultaat was het eerste dynamisch lopende exoskelet dat door mensen met een dwarslaesie kon worden gebruikt zonder dat krukken nodig waren. Dit heeft het potentieel om mensen met een dwarslaesie handsfree mobiliteit te geven, zegt Ames. In de toekomst, het koppelen van zijn werk aan spinale stimulatie zal directe feedback tussen de gebruiker en het apparaat mogelijk maken.

Ondertussen Burdick, Richard L. en Dorothy M. Hayman Hoogleraar Werktuigbouwkunde en Bio-engineering en onderzoekwetenschapper bij JPL, die Caltech beheert voor NASA, heeft spinale implantaten ontwikkeld die in klinische onderzoeken een deel van het onderlichaam bij dragers hebben hersteld.

het implantaat, ontwikkeld in samenwerking met Caltech biomedisch ingenieur Yu-Chong Tai, Anna L. Rosen Hoogleraar Elektrotechniek en Medische Technologie, en AI-expert Yisong Yue, assistent-professor informatica en wiskundige wetenschappen, biedt elektrische stimulatie aan de epidurale ruimte rond het onderste ruggenmerg terwijl AI wordt gebruikt om te leren, live, de stimulatiepatronen die de beste resultaten opleveren voor dragers. In klinische onderzoeken aan de UCLA, de prothese stelde verlamde dragers in staat om tot 20 minuten per keer alleen te staan ​​en vrijwillig tenen te bewegen, enkels, knieën, en heupen.

Een van de deelnemers die de spinale stimulator testte, had toevallig ook een exoskelet, en dus testten de onderzoekers de twee technologieën samen in een proef aan de UCLA drie jaar geleden. Ze ontdekten dat wanneer de spinale stimulator werd aangezet, het exoskelet had half zoveel kracht nodig om dezelfde afstand af te leggen als met de stimulator uit.

"Met de stimulator en het exosuit, hij stapte bijna alleen, " zegt Burdick. "Die vroege studie was veelbelovend."

Het RoAM-initiatief zal de kruising van AI-geïnfuseerde stimulatie van het ruggenmerg onderzoeken met behulp van een Wandercraft Atalante-model exoskelet dat zich bij Caltech bevindt. "Het exoskelet van Atalante en de loopalgoritmen die we ervoor hebben gemaakt, zijn al goed genoeg om gebruikers dynamisch te laten lopen zonder krukken, "Ames zegt. "Het RoAM-initiatief zal hen in staat stellen dit te doen met minder kracht en voor een verscheidenheid aan verschillende dynamische loopgedragingen, met als doel het dagelijks leven van de gebruikers te verbeteren."

uiteindelijk, het RoAM-initiatief gaat verder dan exoskeletten bij het onderzoeken van manieren om mobiliteit te herstellen. De dynamische loopalgoritmen die door Ames zijn ontwikkeld, zijn al vertaald naar op maat gemaakte prothesen in zijn laboratorium, inclusief een aangedreven been voor boven de knie geamputeerden. Aanvullend, zachte exoskeletten - of exosuits - zullen worden ontwikkeld om de loopgangen te helpen stabiliseren voor personen die niet verlamd zijn maar een beperkte mobiliteit hebben.