Реабилитирующая рука

Тяжело приходится больным с нервно-мышечными нарушениями — тем, кто, например, перенес инсульт. У них нарушаются координация и сила рук. Иногда развиваются спазмы, которые не позволяют выполнять даже минимум повседневных движений, а это еще больше уменьшает подвижность.

Помочь пациентам могут устройства, компенсирующие и восстанавливающие функции рук. Уже созданы роботизированные экзоскелеты с электроприводом. Однако обычно они состоят из жестких металлических элементов, и эта жесткость часто не позволяет гармонично распределять нагрузки на мышцы.

Для реабилитации и восстановления пациентов гораздо удобнее и результативнее мягкие экзоскелеты с гибкими материалами и сенсорами, которые адаптируются к форме рук. Благодаря обратной связи эти устройства отслеживают сложные движения рук пациента и откликаются на них. Игра на фортепьяно, требующая тонких движений пальцев, — один из показателей такой сложности. Однако протезы для игры требуют высокоинтеллектуальных алгоритмов управления.

Такой экзоскелет создали инженеры Флоридского атлантического университета во главе с Эриком Энгебергом (Erik Engeberg), профессором Колледжа инженерных и компьютерных наук. Эта роботизированная рука способна вернуть пианисту навыки игры после тяжелой травмы мозга.

Мягкий зкзоскелет, который надевают на руку, подобно перчатке, содержит гибкие тактильные сенсоры, по шестнадцать на каждый палец, и пять мягких пневматических приводов. Роборукой управляет алгоритм искусственного интеллекта, поэтому она может «чувствовать» разницу между правильным и неправильным исполнением музыкального произведения. И, самое важное, экзоскелет помогает точно дозировать силу движений, которая требуется конкретному пациенту для любых манипуляций.

Каждый такой эксзоскелет индивидуален, потому что его изготавливают с учетом анатомии конкретного пациента. Технология в сравнении с общепринятыми принципиально проста. На твердую трехмерную основу в форме руки пациента наносят оболочку с датчиками и приводами в ее толще. Она остается достаточно гибкой, чтобы не ограничивать движения руки. Затем твердую основу растворяют и получают мягкую перчатку-экзоскелет.

Понятно, что экзоскелет помогает восстанавливать правильные движения при проигрывании простых музыкальных произведений. Тут не до виртуозности. Экзоскелет отслеживает движения рук и подправляет их во время игры на пианино. Разумеется, машинные алгоритмы, управляющие экзоскелетом, предварительно обучили на одной песенке. Потом проиграли эту песенку только перчаткой и перчаткой, надетой на руку живого пациента. Тренировка трех разных машинных алгоритмов на данных сенсоров дала возможность выявить лучший алгоритм. Он показал самую высокую точность воспроизведения: 97,1% без человека и 94,6% — вместе с ним.

Как видим, идея и конструкция оправдали себя и пригодятся, чтобы восстанавливать моторику мышц и для работ, требующих ювелирной точности. С его помощью реабилитологи смогут создавать сложные персональные программы, поскольку экзоскелет легко определит, какие моторные функции рук нуждаются в улучшении. Ведь он знает разницу между правильным и неправильным движением. Статья о работе появилась в журнале Frontiers in Robotics and AI.