算法可以改善大脑控制的假肢和外骨骼

 
麻省理工学院媒体实验室的一组研究人员设计了一种算法，有望大大改善对任意数量磁铁的同时跟踪。这对假肢，增强现实，机器人技术和其他领域具有重要意义。
媒体实验室生物机电一体化研究小组方法的首席研究员研究生卡梅隆·泰勒(Cameron Taylor)说，该算法大大减少了传感器确定嵌入人体，木材，陶瓷和其他材料中的磁体的位置和方向所需的时间。
麻省理工学院媒体艺术与科学教授，生物机电一体化小组负责人休·赫尔(Hugh Herr)说：“多年来，我一直梦想着一种微创的方法来控制假肢，而磁铁具有这种潜力。” “但是以前的技术太慢了，无法实时跟踪高带宽的组织运动。”
IEEE Sensors Journal出版了《多个永磁体的低延迟跟踪》一书。麻省理工学院的本科生海莉·艾布拉姆森(Haley Abramson)也是其中的合著者。
实时追踪
多年来，假肢一直依靠肌电图来解释来自用户周围神经系统的信息。附着在与肌肉相邻的皮肤上的电极可测量大脑传递的脉冲以激活它们。
这是一个不够完美的系统。电极感测随时间变化的信号以及估计肌肉运动的长度和速度的能力受到限制，因此佩戴设备可能会感到不舒服。
长期以来，科学家一直在试图找到一种使用磁铁的方法，这种磁铁可以无限期地嵌入人体中，以控制高速机器人。但是他们一直遇到一个大障碍：花了很长时间计算机才能精确确定磁铁的位置并引发反应。
泰勒说：“该软件需要猜测磁铁的位置以及方位。” “它会根据所看到的磁场来检查其猜测的好坏，当出现错误时，它会一次又一次地猜测，直到它回到该位置为止。”
泰勒将其比作“冷热”游戏，该过程需要大量计算，这会延迟运动。 “机器人控制系统在反应性方面要求非常高的速度，” Herr说。 “如果经过工程设计的平台进行感应和致动之间的时间过长，则可能会导致设备不稳定。”
为了减少磁体跟踪中的时间延迟，计算机将需要快速确定哪个方向是“最温暖的”，然后再猜测磁体的位置。一天，泰勒躺在家里的地板上，他在思考这个问题时，使他震惊的是，可以使用简单的计算机编码技术非常迅速地计算出“最温暖”的方向。
他说：“我立即知道这是有可能的，这非常令人兴奋。但是我仍然必须对其进行验证。”
一旦通过验证，泰勒及其研究小组的成员就必须解决另一个使磁铁跟踪复杂化的问题：来自地球磁场的干扰。消除这种干扰的传统方法对于假肢和外骨骼所需的紧凑型移动系统而言并不实用。
该团队通过对计算机软件进行编程来搜索地球磁场，从而找到了一个优雅的解决方案，就好像它只是另一个磁场信号一样。
然后，他们使用带磁力计阵列的系统测试了算法，该磁力计阵列可跟踪多达四个微小的珍珠状磁铁。测试表明，与最先进的磁体跟踪系统相比，当用于同时跟踪一，二，三和三时，新算法将最大带宽提高了336%，525%，635%和773%。四个磁铁。
泰勒强调说，其他一些研究人员也使用相同的导数方法进行跟踪，但并未演示对多个运动磁体的实时跟踪。他说：“这是一个团队首次展示这种技术，可以一次实时跟踪多个永磁体。”
并且，这种跟踪过去从未被用作加速磁跟踪的一种手段。泰勒说：“过去，所有实现都使用了高级计算机语言，而没有使用我们用来提高速度的技术。”
根据Taylor和Herr的说法，新算法意味着磁性目标跟踪可以扩展到需要跟踪一个或多个目标的高速实时应用，而无需使用固定的磁力计阵列。启用新算法的软件可以极大地增强假肢和骨骼的反射控制，简化磁悬浮，并改善与增强和虚拟现实设备的交互。
“存在各种各样的技术可以植入到神经系统或肌肉中，以控制机电一体化，但通常情况下，会跨越皮肤边界的导线或嵌入体内的电子器件进行传输，” Herr说。 “这种方法的优点在于，您正在向体内注入小的无源磁珠，而所有技术都停留在体外。”
众多应用
生物机电一体化研究小组主要对利用其新发现来改善对假体的控制感兴趣，但是，在增强现实领域工作的媒体实验室毕业生Hisham Bedri表示，这种进步的潜在应用在消费者市场中是巨大的。 Bedri说：“如果您想进入虚拟现实世界，例如踢一个球，这对于类似的事情超级有用。” “这使未来更加接近现实。”
赫尔说，人们已经在向自己注入微小的磁铁，希望利用它们来增强人体的自然机能，这引起了有关公共政策的有趣问题。 “当’正常’人想要植入磁体以改善身体功能时，我们如何考虑呢?”他说。 “这不是医疗设备或应用程序，因此我们将允许Joe和Suzy在哪个监管机构这样做?我们需要围绕这个问题进行激烈的政策讨论。”
该小组已就其使用磁铁跟踪肌肉运动的算法和方法申请了专利。它还与美国食品和药物管理局合作，为将高速，宽带宽磁跟踪过渡到临床领域提供指导。
现在，研究人员正在准备进行临床前工作，以验证该技术可用于追踪人体组织以及控制假体和骨骼。赫尔说：“我认为我们有可能最早在明年开始进行人体测试。” “这根本没有十年。”
除此之外?泰勒说：“我们对未来的长远愿景是，将这些磁铁注入您我体内，并使用它们来操纵一种非武装的钢铁侠套装，每个人都将以超级英雄的力量四处走动。” “但是，严重的是，我确实认为这是缺少的部分，它使我们最终进行磁跟踪并将其移至可以广泛使用的地方。”