En ny öppen källkod, artificiellt intelligent benprotes designad av forskare vid University of Michigan och Shirley Ryan AbilityLab är nu tillgänglig för det vetenskapliga samfundet.

Benets gratis-till-kopiera design och programmering är avsedda att förbättra livskvaliteten för patienter och påskynda vetenskapliga framsteg genom att erbjuda en enhetlig plattform för fragmenterade forskningsinsatser inom bionikområdet.

"Vårt öppen källkod Bionic Leg kommer att göra det möjligt för utredare att effektivt lösa utmaningar i samband med att kontrollera bioniska ben över en rad aktiviteter i laboratoriet och ute i samhället, " sa huvuddesigner Elliott Rouse, kärnfakultet vid U-M:s Robotics Institute och biträdande professor i maskinteknik. "Dessutom, vi hoppas att vårt bioniska ben kommer att förena forskare med en gemensam hårdvaruplattform och göra det möjligt för nya forskare från relaterade områden att utveckla innovativa kontrollstrategier."

Rouse och samarbetspartner Levi Hargrove, chef för Center for Bionic Medicine vid Shirley Ryan AbilityLab i Chicago, kommer att avslöja benet och dess onlineplattform på Amazon re:MARS -konferensen i Las Vegas. Detaljer om var du kan beställa delarna, hur man sätter ihop dem och hur man programmerar benet finns på opensourceleg.com.

Hargrove, som också är docent i fysikalisk medicin och rehabilitering och biomedicinsk teknik vid Northwestern University, använder redan benet i kliniska studier.

"Medan designen och koden är gratis, benet är fortfarande en high-end, toppmodern maskin, ", sa hon. "Det är ett unikt plug-and-play-system som gör det möjligt för forskare att undvika forsknings- och utvecklingskostnader i miljontals dollar och omedelbart börja testa på proteser för knä och fotled. Det sänker effektivt inträdesbarriärerna för forskare."

Effektiv, först i sitt slag design

När du designade benet, Rouse fokuserade på att hålla det enkelt, låg kostnad och bärbar, ändå högpresterande. Resultatet innehåller relativt billiga delar från bara ett fåtal leverantörer; en modulär design som kan fungera som ett knä, vrist, eller båda; och en inbyggd strömförsörjning och kontrollelektronik som gör att den kan testas var som helst.

Dessutom, teamet anpassade och införlivade ny motorteknik som har utvecklats för drönarindustrin. De platta motorerna i pannkaksstil byter ut mindre hastighet för mer vridmoment. Dessa lägre växlade motorer möjliggör effektivare, finare kontroll och mer människoliknande rörelser.

Forskare som arbetar direkt med personer med funktionsnedsättning måste ofta bygga sitt eget robotiska bensystem, Sa Rouse. Istället för att börja om från början, forskare kan ta denna gemensamma plattform och, efter lite montering, börja arbeta på bättre lösningar för att hjälpa människor med rörelsehinder. Den gemensamma plattformen möjliggör också direkta jämförelser av nya algoritmer som används för att styra det bioniska benet, som forskare sedan kan iterera och bygga vidare på.

Även om det finns många proteser med öppen källkod för överkroppen, som händer, detta är den första sådana plattformen för de nedre extremiteterna. Forskning inom bionik i nedre extremiteter har traditionellt sett släpat efter proteserna för de övre extremiteterna, främst på grund av den höga risken för att upprätthålla balans och stödja en patients hela kropp.

Det fullständiga bioniska benet som specificerat kostar $28, 500, som inkluderar delar bearbetade av Star Rapid, ställdon från Dephy Inc., och en Raspberry Pi-minidator som driver den artificiella intelligensen.

Den avancerade AI-baserade kontrollen, ledd av Hargrove, kan anpassa det bioniska benets handlingar för att sömlöst byta aktiviteter, som att gå från att gå till att gå uppför trappor till att gå ner för en ramp. För att åstadkomma detta, teamet använder en kombination av muskelkontraktionssignaler och sensordata från det bioniska benet för att förutsäga vilket beteende som krävs för nästa steg.

Samhällsdriven forskning och utveckling

Som ett projekt med öppen källkod, vem som helst kan bidra till att förbättra benets design och funktion. Även om benet är avsett som ett forskningsverktyg och inte som en lösning för att bygga hemma, patienter som är involverade i projektet kan hjälpa till att fokusera och förbättra designen genom sin feedback i försök. Företag kan prototyper av benet med sina egna delar för att förbättra designen. Och, Forskare kan använda projektets webbplats för att diskutera ändringar och förslag i design och kontroll.

"Detta representerar forskningens framtid – snabb prototypframställning av robothårdvara med öppen källkod och inbyggda system med delad kod, sa Rouse.