Een team van onderzoekers van het MIT Media Lab heeft een algoritme bedacht dat belooft het gelijktijdig volgen van een willekeurig aantal magneten enorm te verbeteren. Dit heeft grote gevolgen voor prothesen, augmented reality, robotica, en andere velden.

Afgestudeerd student Cameron Taylor, hoofdonderzoeker van de aanpak in de Biomechatronics-groep van het Media Lab, zegt dat het algoritme de tijd die sensoren nodig hebben om de posities en oriëntaties van in het lichaam ingebedde magneten te bepalen, drastisch vermindert, hout, keramiek, en andere materialen.

"Ik droom al jaren over een minimaal invasieve benadering van het controleren van prothesen, en magneten bieden dat potentieel, " zegt Hugh Herr, hoogleraar mediakunsten en wetenschappen aan het MIT en hoofd van de groep Biomechatronics. "Maar eerdere technieken waren te traag om weefselbeweging in realtime bij hoge bandbreedte te volgen."

Het werk, "Tracking met lage latentie van meerdere permanente magneten, " is gepubliceerd door IEEE Sensors Journal . MIT-student Haley Abramson is ook co-auteur.

Realtime volgen

Voor jaren, protheses vertrouwden op elektromyografie om berichten van het perifere zenuwstelsel van een gebruiker te interpreteren. Elektroden die op de huid naast spieren zijn bevestigd, meten de impulsen die door de hersenen worden afgegeven om ze te activeren.

Het is een minder dan perfect systeem. Het vermogen van elektroden om signalen waar te nemen die in de loop van de tijd veranderen, evenals om de lengte en snelheid van spierbewegingen te schatten, is gelimiteerd, en het dragen van de apparaten kan ongemakkelijk zijn.

Wetenschappers hebben lang geprobeerd een manier te vinden om magneten te gebruiken, die voor onbepaalde tijd in het lichaam kan worden ingebed, om snelle robotica te besturen. Maar ze liepen steeds tegen een grote hindernis aan:het duurde computers te lang om precies te bepalen waar de magneten waren en een reactie op gang te brengen.

"De software moet raden waar de magneten zijn, en in welke richting, Taylor zei. "Het controleert hoe goed zijn gok is, gegeven het magnetische veld dat het ziet, en als het fout is, het raadt keer op keer totdat het zich thuis voelt op de locatie."

Dat proces, die Taylor vergelijkt met een spelletje Hot and Cold, kost veel rekenwerk, wat de beweging vertraagt. "Robotische controlesystemen vereisen zeer hoge snelheden in termen van reactievermogen, " Zegt de heer. "Als de tijd tussen detectie en activering door een ontwikkeld platform te lang is, apparaatinstabiliteit kan optreden."

Om de vertraging bij het volgen van magneten te verminderen, een computer zou snel moeten bepalen welke richting het "warmst" was voordat hij een gok kon doen over de locatie van een magneet. Taylor lag op een dag thuis op de grond en dacht na over dit probleem, toen het hem opviel dat de 'warmste' richting heel snel kon worden berekend met behulp van eenvoudige computercoderingstechnieken.

"Ik wist meteen dat het mogelijk was, wat enorm spannend was. Maar ik moest het nog valideren, " hij zegt.

Eenmaal gevalideerd, Taylor en leden van zijn onderzoeksteam moesten een ander probleem oplossen dat het volgen van magneten bemoeilijkt:verstoring door het aardmagnetisch veld. Traditionele methoden om die interferentie te elimineren waren niet praktisch voor het type compact, mobiel systeem nodig voor prothesen en exoskeletten.

Het team kwam op een elegante oplossing door hun computersoftware te programmeren om naar het magnetische veld van de aarde te zoeken alsof het gewoon een ander magnetisch signaal is.

Vervolgens testten ze hun algoritme met behulp van een systeem met een reeks magnetometers die maar liefst vier kleine, parelachtige magneten. De test toonde aan dat, in vergelijking met de modernste magneetvolgsystemen, het nieuwe algoritme verhoogde de maximale bandbreedte met 336 procent, 525 procent, 635 procent, en 773 procent wanneer gebruikt om er tegelijkertijd een te volgen, twee, drie, en vier magneten respectievelijk.

Taylor benadrukte dat een handvol andere onderzoekers dezelfde afgeleide benadering hebben gebruikt voor het volgen, maar demonstreerde niet het volgen van meerdere bewegende magneten in realtime. "Dit is de eerste keer dat een team deze techniek heeft gedemonstreerd voor het realtime volgen van meerdere permanente magneten tegelijk, " hij zegt.

En dergelijke tracking is in het verleden nooit gebruikt als een middel om magnetische tracking te versnellen. "Alle implementaties in het verleden hebben computertalen op hoog niveau gebruikt zonder de technieken die we gebruiken om de snelheid te verbeteren, "zegt Taylor.

Het nieuwe algoritme betekent volgens Taylor en Herr, dat het volgen van magnetische doelen kan worden uitgebreid tot hoge snelheid, real-time toepassingen die het volgen van een of meer doelen vereisen, het elimineren van de noodzaak van een vaste magnetometerarray. Software die is ingeschakeld met het nieuwe algoritme kan de reflexieve controle van prothesen en exoskeletten aanzienlijk verbeteren, vereenvoudig magnetische levitatie, en de interactie met augmented en virtual reality-apparaten te verbeteren.

"Er bestaan ​​allerlei soorten technologie om in het zenuwstelsel of spieren te implanteren voor het aansturen van mechatronica, maar meestal is er een draad over de huidgrens of elektronica ingebed in het lichaam om transmissie te doen, "De heer zegt. "Het mooie van deze benadering is dat je kleine passieve magnetische kralen in het lichaam injecteert, en alle technologie blijft buiten het lichaam."

Talloze toepassingen

De groep Biomechatronics is vooral geïnteresseerd in het gebruik van haar nieuwe bevindingen om de controle over prothesen te verbeteren, maar Hisham Bedri, afgestudeerd aan het Media Lab die werkt in augmented reality, zegt dat potentiële toepassingen van de vooruitgang enorm zijn in de consumentenmarkt. "Als je in de virtual reality-wereld wilde stappen en, zeggen, een bal trappen, dit is super handig voor zoiets, ', zegt Bedri. 'Dit brengt die toekomst dichter bij de realiteit.'

Mensen injecteren zichzelf al met kleine magneten in de hoop ze te gebruiken om de natuurlijke prestaties van het lichaam te verbeteren, en dit roept een interessante vraag op over het overheidsbeleid, zegt de heer. "Als 'normale' mensen magneten willen implanteren om de lichaamsfunctie te verbeteren, hoe denken we daar over?" zegt hij. "Het is geen medisch hulpmiddel of applicatie, Dus onder welke regelgevende instantie zullen we Joe en Suzy toestaan ​​om dat te doen? We hebben een krachtige beleidsdiscussie rond deze kwestie nodig."

De groep heeft patent aangevraagd op zijn algoritme en zijn methode om magneten te gebruiken om spierbewegingen te volgen. Het werkt ook samen met de Amerikaanse Food and Drug Administration aan richtlijnen voor de overgang van hogesnelheids-, brede bandbreedte magnetische tracking in het klinische rijk.

Nu bereiden de onderzoekers zich voor op preklinisch werk om te valideren dat deze techniek zal werken voor het volgen van menselijke weefsels en het controleren van prothesen en exoskeletten. "Ik denk dat het mogelijk is dat we volgend jaar al beginnen met testen op mensen, " zegt Herr. "Dit is helemaal niet iets dat over 10 jaar is."

Verder dan dat? "Onze langetermijnvisie voor de toekomst is dat we deze magneten in jou en mij injecteren en ze gebruiken om een ​​niet-militant Iron Man-pak te bedienen - iedereen zou rondlopen met superheldenkracht, "Tijl zegt, slechts de helft voor de grap. "Ernstig, Hoewel, Ik denk echt dat dit het ontbrekende onderdeel is waarmee we eindelijk magneettracking kunnen nemen en verplaatsen naar een plaats waar het veel breder kan worden gebruikt."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.