Kate NYCZ는 2018 년부터 ALS 진단으로 살면서 기본 작업의 모터 기능을 천천히 잃는 것이 어떤 것인지 직접 알려줄 수 있습니다. 39 세의 소년은“내 팔은 90도에 도달 할 수 있지만 피로와 떨어진다”고 말했다. “내 오른손, 지배적 인 손이 어렵다. 나는 주로 왼손잡이가된다.”
ALS와 같은 신경 퇴행성 질환을 앓고 있거나 뇌졸중을 앓고있는 NYCZ와 같은 사람들은 종종 어깨, 팔 또는 손의 움직임이 손상되어 이빨 브러싱, 헤어 홀링 또는 식사와 같은 일상적인 작업을 방지합니다.
지난 몇 년 동안 Harvard BioEngineers는 부드럽고 웨어러블 로봇 그것은 그러한 개인들에게 운동 지원을 제공 할뿐만 아니라 치료법을 확대하여 이동성을 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그러나 두 사람은 정확히 같은 방식으로 움직이지 않습니다. 물리적 움직임은 특히 이동성이 장애물을 위해 고도로 개별화되어 많은 사람들에게 적합한 장치를 설계하기가 어렵습니다.
기계 학습의 발전은보다 개인적인 손길을 만들 수 있습니다. John A. Paulson Engineering and Applied Sciences (SEAS)의 연구원들은 Massachusetts General Hospital 및 Harvard Medical School의 의사 과학자와 함께 개별 사용자의 정확한 움직임에 반응하기 위해 웨어러블 로봇을 업그레이드하여 사용자에게 더 나은 개인 지원을 제공하여 일상적인 작업에 대한 지원을 제공 할 수있었습니다.
그만큼 연구가 발표되었습니다 자연 커뮤니케이션 Paul A. Maeder 엔지니어링 및 응용 과학 교수 인 Conor Walsh가 이끌었습니다. 인간 중심 보조 로봇 장치 운동 장애가있는 사람들을 위해. 6 년 이상 Walsh의 실험실은 매사추세츠 종합 병원 Neurorecovery Clinic의 이사 인 David Lin 박사 인 David Lin 박사와 협력했습니다. ALS 전문가 Dr. Sabrina Paganoni 박사 인 Massachusetts General Hospital Neurological Clinical Research Institute (두 논문 공동 저자)의 공동 이사가 환자를위한 임상 적으로 관련된 장치를 개발했습니다.
Paganoni는“이것은 Walsh 박사의 팀이 첫날부터 임상의와 환자의 관점을 포함하여 우선 순위를 정한 것처럼 훌륭한 협력이었습니다. “이 공동 작업 접근 방식을 통해 최초의 프로토 타입과 연구 설계에 대해 함께 작업 할 수있었습니다.”
NYCZ는 2018 년 Paganoni에 의해 Seas Study Team에 의뢰되었습니다. NYCZ는 개인화 된 모터 피드백 구성 요소가 포함 된 최신 정보를 포함하여 장치의 여러 반복에 대한 데이터 및 사용자 테스트를 제공했습니다. “저는 ALS와 함께 사는 사람들의 삶의 질을 향상시키는 데 도움이되는 기술과 장치에 큰 도움이됩니다.이 로봇이 그 목표에 도움이 될 수 있다고 생각합니다.”라고 그녀는 말했습니다.
Prabhat Pathak (왼쪽)과 James Arnold는 실험실에서 웨어러블 로봇을 데모했습니다. | 신용 : 하버드
머신 러닝 모델로 소프트웨어 업데이트
이 논문은 장치에 전원을 공급하는 소프트웨어에 대한 주요 업데이트에 대해 설명합니다.이 장치에는 팔 아래에 풍선이 부착 된 센서로드 조끼로 구성되어 있으며, 부풀어 오르고 손상된 사지에 기계적 지원을 적용합니다.
연구원들은 모션과 압력을 추적하는 센서를 통해 사용자가 어떤 움직임을 시도하는지 학습함으로써 개별 사용자에게 지원 수준을 개인화하는 기계 학습 모델을 사용했습니다.
이전 버전의 장치에서모션을 추적 한 연구원들은 로봇이 그것을 들어 올리는 데 도움이되면 사용자가 팔을 뒤로 밀는 데 어려움을 겪었다는 것을 발견했습니다. Co-First 저자이자 대학원생 인 James Arnold는“일부 사람들은 로봇이 저지른 실수를 극복하기에 충분한 잔류 강도가 없었습니다.
새 버전에서 기계 학습 모델 외에도 물리 기반 모델 그들은 이전에 개발 중에 팔을지지하는 데 필요한 최소 압력을 추정하는 이전에 개발되었습니다. 이로 인해 로봇의 지원이 사용자에게 더 자연스럽게 느껴지므로 식사와 음주와 같은 기본 작업에 대한 미묘한 도움을 제공합니다. 모델을 결합하면 로봇은 사용자가 정상적으로 움직이는 방식에 대해 배운 내용을 바탕으로 언제든지 제공하는 지원량을 신속하게 다이얼하거나 다운 할 수있었습니다.
사용자 테스트
MGH의 임상 연구원들과 협력하여 엔지니어들은 뇌졸중을 경험 한 5 명과 ALS와 함께 4 명의 생활을 포함한 NYCZ를 포함한 9 명의 자원 봉사자와 함께 장치를 테스트했습니다.
Paganoni는“ALS와 함께 사는 사람들에게 가장 중요한 고려 사항은 편안함, 사용 편의성 및 장치의 특정 요구와 움직임 패턴에 적응할 수있는 능력이 포함됩니다. “개인화는 기능적 독립성과 삶의 질을 향상시키는 데 중요합니다.이 장치는 상지 기능을 크게 향상시키고 일상 생활 활동을 향상 시키며 보상 운동을 줄일 수있는 잠재력을 유지합니다.”
결과에 따르면 개별 사용자의 움직임 데이터에 대해 훈련 된 로봇은 사용자의 어깨 움직임을 94% 정확도로 구별 할 수 있습니다. 팔을 낮추는 데 필요한 사람의 양은 이전 버전에 비해 약 1/3로 줄었습니다. 사용자는 어깨, 팔꿈치 및 손목에 더 큰 움직임 범위를 보여 주었고, 신체의 기울기 또는 비틀기를 보상 할 필요성을 줄이고, 움직임이 전반적으로 더 정확하고 효율적으로 만듭니다.
웨어러블 로봇에 대한 과거의 연구는 환자 운동을 평가하기위한 단일 관절 또는 단일 임상 점수에 초점을 맞추 었다고 공동 최초의 저자이자 박사후 연구원 인 Prabhat Pathak은 설명했다. “여기서 우리가 한 일은 영화에 사용되는 시스템과 유사한 정확한 모션 캡처 시스템을 사용하여 일상 생활의 시뮬레이션 활동을 살펴 보았습니다. 우리는 각각의 모든 공동 운동이 어떻게 변했는지, 그리고 작업을보다 효율적으로 수행 할 수 있는지 살펴 보았습니다.”
NYCZ는 수년에 걸쳐 다른 버전의 장치를 보는 것이 만족스럽고, 그녀의 피드백 중 일부가 새로운 버전에 반영 된 것을 발견했다고 말했다.
“그들은 사람을 통합하고 포함하여 훌륭한 일을 해왔다”고 그녀는 말했다. “그들은 로봇을 가지고 노는 실험실에 앉아 있지 않습니다. 나는 그들이 정말로 나와 약혼 한 것처럼 느꼈습니다. 나는 실험실 쥐나 바퀴에 톱니처럼 느껴지지 않았습니다.”
로봇은 운동 장애가있는 개인이 식사 및 마시는 것과 같은 일상 활동을 수행하는 데 도움이 될 수 있습니다. | 신용 : 하버드
많은 인구에 일반화 할 수 있습니다
연구원들은 그들의 장치가 상지 장애가있는 많은 사람들에게 일반화 될 수 있다고 지적했다. 뇌졸중 환자는 일반적으로 힘과 운동의 점진적인 회복을 통해 재활에 중점을 두지 만 ALS는 퇴행성이므로 장치는 운동 지원에만 더 가치가있을 수 있습니다. National Science Foundation의 Convergence Accelerator의 지속적인 지원을 통해 기술, 혁신 및 파트너십을위한 이사회에서 팀은 언젠가 사용자가 집에서 독립적으로 사용할 수 있도록 기술을 계속 개선하고 있습니다.
편집자 주 : 이 기사는 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용 과학 학교.
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