Ingenjörer på Caltech har lanserat ett nytt forskningsinitiativ som syftar till att återställa naturlig och stabil rörelse för personer med gångbrister som beror på ryggmärgsskador och stroke.

Detta initiativ, kallad RoAM (Robotic Assisted Mobility), förenar robothjälpmedel-inklusive exoskeletoner och proteser-med artificiell intelligens (AI) -infunderad neurokontroll. RoAM -initiativet kombinerar forskningen från två Caltech -robotister:Aaron Ames, vem skapar algoritmerna som gör det möjligt att gå med bipedala robotar och översätter dessa för att styra rörelsen av exoskeletoner och proteser; och Joel Burdick, vars transkutana spinalimplantat redan har hjälpt paraplegiker i kliniska prövningar att återställa en del benfunktion och, avgörande, bålkontroll.

Ett antal robotföretag har börjat bygga exoskelett - enheter med robotben som en person kan fästa i - för att ge rörlighet till individer som är förlamade från midjan och ner. Problemet är att alla nuvarande enheter kräver användning av kryckor för att bibehålla stabiliteten.

"Bipedal walking är svårt att uppnå på ett stabilt sätt, "säger Ames, Bren professor i mekanik och teknik och styrning och dynamiska system vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap. "Medan kryckor hjälper användare av exoskeletonerna att hålla sig upprätt, de underskrider många av de hälsofördelar som upprätt rörelse annars kan ge. Dessutom, de tillåter inte användare att göra något annat med händerna medan de går. "

Det är här arbetet med Ames och Burdick kommer in.

Ames har byggt program som gör att tvåbentiga robotar kan gå, gör dem stabila genom att tillämpa metoder från olinjär kontrollteori. Hans tillvägagångssätt har resulterat i effektiv vandring av humanoida robotar, tillsammans med dynamiska beteenden som att springa och hoppa. I samarbete med den franska exoskeletontillverkaren Wandercraft och hans kollega Jessy Grizzle från University of Michigan, Ames har översatt dessa metoder från robotar till drivna exoskeletoner i underkroppen. Slutresultatet var det första dynamiska gång -exoskeletet som kunde användas av paraplegiker utan att behöva kryckor. Detta har potential att ge paraplegiker handfri rörlighet, Säger Ames. I framtiden, koppling av hans arbete med ryggradstimulering möjliggör direkt feedback mellan användaren och enheten.

Under tiden Burdick, Richard L. och Dorothy M. Hayman professor i maskinteknik och bioingenjör och en forskare vid JPL, som Caltech hanterar för NASA, har utvecklat spinalimplantat som har återställt en del lägre kroppsfunktion för bärare i kliniska prövningar.

Implantatet, utvecklat i samarbete med Caltech biomedicinska ingenjör Yu-Chong Tai, Anna L. Rosen Professor i elektroteknik och medicinsk teknik, och AI -experten Yisong Yue, biträdande professor i databehandling och matematiska vetenskaper, ger elektrisk stimulering till epiduralrummet runt den nedre ryggmärgen medan du använder AI för att lära dig, i realtid, stimuleringsmönstren som ger de bästa resultaten för bärare. I kliniska prövningar vid UCLA, protesen tillät förlamade bärare att stå på egen hand i upp till 20 minuter i taget och frivilligt röra tårna, anklar, knän, och höfter.

En av deltagarna som testade ryggradsstimulatorn råkade också äga ett exoskelet, och så testade forskarna de två teknikerna tillsammans i ett försök vid UCLA för tre år sedan. De fann att när ryggradsstimulatorn var påslagen, exoskeletet krävde hälften så mycket kraft för att flytta samma sträcka som med stimulatorn avstängd.

"Med stimulatorn och exosuit, han steg nästan på egen hand, "Säger Burdick." Den tidiga studien var mycket lovande. "

RoAM-initiativet kommer att utforska skärningspunkten mellan AI-infunderad ryggmärgsstimulering med hjälp av ett Wandercraft Atalante-modell exoskelet som ligger vid Caltech. "Atalante exoskeleton och gångalgoritmerna som vi skapade för det är redan tillräckligt bra för att tillåta användare att gå dynamiskt utan kryckor, "Säger Ames." RoAM -initiativet låter dem göra det med mindre kraft och för en mängd olika dynamiska gångbeteenden, med målet att förbättra användarnas vardag. "

I sista hand, RoAM -initiativet kommer att gå utöver exoskeletoner för att undersöka sätt att återställa rörligheten. De dynamiska gångalgoritmerna som utvecklats av Ames har redan översatts till specialbyggda proteser som finns i hans labb, inklusive ett drivben för amputerade över knäet. Dessutom, mjuka exoskelett - eller exosuits - kommer att utvecklas för att hjälpa till att stabilisera gångarter för personer som inte är förlamade men är rörelsehindrade.