Ett team av forskare vid MIT Media Lab har tagit fram en algoritm som lovar att väsentligt förbättra den samtidiga spårningen av valfritt antal magneter. Detta har betydande konsekvenser för proteser, förstärkt verklighet, robotik, och andra områden.

Doktorand Cameron Taylor, ledande forskare om tillvägagångssättet i Media Labs Biomechatronics -grupp, säger att algoritmen dramatiskt minskar den tid det tar för sensorer att bestämma positioner och orienteringar för magneter inbäddade i kroppen, trä, keramik, och andra material.

"Jag har drömt i flera år om ett minimalt invasivt tillvägagångssätt för att kontrollera proteser, och magneter erbjuder den potentialen, "säger Hugh Herr, professor i mediekonst och vetenskap vid MIT och chef för gruppen Biomechatronics. "Men tidigare tekniker var för långsamma för att spåra vävnadsrörelser i realtid med hög bandbredd."

Arbetet, "Låg latens spårning av flera permanenta magneter, "har publicerats av IEEE Sensors Journal . MIT-grundutbildningen Haley Abramson är också medförfattare.

Spårning i realtid

I åratal, proteser har förlitat sig på elektromyografi för att tolka meddelanden från en användares perifera nervsystem. Elektroder fästa på huden intill muskler mäter impulser som levereras av hjärnan för att aktivera dem.

Det är ett mindre än perfekt system. Elektrodernas förmåga att känna av signaler som förändras med tiden, samt att uppskatta längden och hastigheten av muskelrörelser, är begränsad, och att bära enheterna kan vara obekvämt.

Forskare har länge försökt ta reda på ett sätt att använda magneter, som kan bäddas in i kroppen på obestämd tid, för att styra höghastighetsrobotik. Men de stötte hela tiden på ett stort hinder:det tog datorer för lång tid att avgöra exakt var magneterna var och initiera en reaktion.

"Programvaran måste gissa var magneterna finns, och i vilken riktning, "Sa Taylor." Den kontrollerar hur bra dess gissning får med tanke på magnetfältet den ser, och när det är fel, den gissar om och om igen tills den kommer in på platsen."

Den processen, som Taylor jämför med ett spel Hot and Cold, tar mycket beräkning, som fördröjer rörelse. "Robotstyrsystem kräver mycket höga hastigheter när det gäller reaktivitet, " Herr säger. "Om tiden mellan avkänning och aktivering av en konstruerad plattform är för lång, enhetsinstabilitet kan uppstå."

För att minska tidsfördröjningen i magnetspårning, en dator skulle snabbt behöva identifiera vilken riktning som var "varmast" innan en gissning om en magnet placerades. Taylor låg på golvet hemma en dag och funderade över detta problem när det slog honom att den "varmaste" riktningen kunde beräknas mycket snabbt med enkla datorkodningstekniker.

"Jag visste direkt att det var möjligt, vilket var väldigt spännande. Men jag var fortfarande tvungen att validera det, " han säger.

När den väl har validerats, Taylor och medlemmar av hans forskargrupp var tvungna att lösa ett annat problem som komplicerar magnetspårning:störningar från jordens magnetfält. Traditionella metoder för att eliminera denna störning var inte praktiska för typen av kompakt, mobilt system som behövs för proteser och exoskelett.

Teamet landade på en elegant lösning genom att programmera sin datorprogramvara för att söka efter jordens magnetfält som om det bara vore en annan magnetisk signal.

De testade sedan sin algoritm med hjälp av ett system med en rad magnetometrar som spårar så många som fyra små, pärlliknande magneter. Testet visade att i jämförelse med toppmoderna magnetspårningssystem, den nya algoritmen ökade maximala bandbredder med 336 procent, 525 procent, 635 procent, och 773 procent när de används för att samtidigt spåra en, två, tre, respektive fyra magneter.

Taylor betonade att en handfull andra forskare har använt samma härledda tillvägagångssätt för spårning, men visade inte spårningen av flera rörliga magneter i realtid. "Detta är första gången ett team visar denna teknik för spårning i realtid av flera permanenta magneter samtidigt, " han säger.

Och sådan spårning har aldrig använts tidigare som ett sätt att påskynda magnetisk spårning. "Alla tidigare implementeringar har använt datorspråk på hög nivå utan de tekniker vi använder för att öka hastigheten, "Säger Taylor.

Den nya algoritmen innebär, enligt Taylor och Herr, att magnetisk målspårning kan utökas till hög hastighet, realtidsapplikationer som kräver spårning av ett eller flera mål, vilket eliminerar behovet av en fast magnetometeruppsättning. Programvara som aktiverats med den nya algoritmen kan kraftigt förbättra den reflexiva kontrollen av proteser och exoskeleton, förenkla magnetisk levitation, och förbättra interaktionen med förstärkta och virtual reality -enheter.

"All sorts teknik finns för att implantera i nervsystemet eller musklerna för att styra mekatronik, men vanligtvis finns det en tråd över hudgränsen eller elektronik inbäddad inuti kroppen för att överföra, " Herr säger. "Det fina med detta tillvägagångssätt är att du injicerar små passiva magnetiska pärlor i kroppen, och all teknik stannar utanför kroppen."

Många applikationer

Biomechatronics -gruppen är främst intresserad av att använda sina nya fynd för att förbättra kontrollen av proteser, men Hisham Bedri, en examen från Media Lab som arbetar med förstärkt verklighet, säger att potentiella tillämpningar av framstegen är enorma på konsumentmarknaden. "Om du ville kliva in i virtual reality -världen och, säga, sparka en boll, det här är super användbart för något sådant, "Säger Bedri." Detta för den framtiden närmare verkligheten. "

Människor injicerar sig redan med små magneter i hopp om att använda dem för att förbättra kroppens naturliga prestanda, och detta väcker en intressant fråga om offentlig politik, Herr säger. "När" normala "människor vill bli implanterade med magneter för att förbättra kroppens funktion, hur tänker vi kring det?" säger han. "Det är inte en medicinteknisk produkt eller applikation, så under vilket tillsynsorgan kommer vi att tillåta Joe och Suzy att göra det? Vi behöver en intensiv politisk diskussion kring denna fråga. "

Gruppen har ansökt om patent på sin algoritm och dess metod för att använda magneter för att spåra muskelrörelser. Det arbetar också med U.S. Food and Drug Administration om vägledning för övergången av höghastighets, magnetisk spårning med bred bandbredd in i det kliniska området.

Nu förbereder forskarna sig för att göra prekliniskt arbete för att validera att denna teknik kommer att fungera för att spåra mänskliga vävnader och kontrollera proteser och exoskeletoner. "Jag tror att det är möjligt att vi skulle börja mänskliga tester så snart som nästa år, " Herr säger. "Det här är inte något som är 10 år ut alls."

Bortom det? "Vår långsiktiga vision för framtiden är att vi injicerar dessa magneter i dig och mig och använder dem för att driva en icke-militant Iron Man-dräkt - alla skulle gå runt med superhjältestyrka, "Taylor säger, bara hälften på skämt. "Allvarligt, fastän, Jag tror att det här är den saknade delen för att låta oss äntligen ta magnetspårning och flytta den till en plats där den kan användas mycket mer. "

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.