Мягкая роботизированная перчатка с искусственным интеллектом повышает ловкость рук людей, перенесших инсульт

Атлантический университет Флориды, Флорида

Мягкая роботизированная перчатка объединяет пять приводов в одно носимое устройство, повторяющее форму руки пользователя. (Изображение:Алекс Дольче)

Для людей, перенесших нейротравму, такую как инсульт, повседневные задачи могут быть чрезвычайно трудными из-за снижения координации и силы в одной или обеих верхних конечностях. Эти проблемы стимулировали разработку роботизированных устройств, которые помогут улучшить их способности. Однако жесткий характер этих вспомогательных устройств может быть проблематичным, особенно для более сложных задач, таких как игра на музыкальном инструменте.

Первая в своем роде роботизированная перчатка протягивает «руку» и дает надежду пианистам, перенесшим инсульт. Мягкий экзоскелет роботизированной руки, разработанный исследователями из Колледжа инженерии и компьютерных наук Атлантического университета Флориды, использует искусственный интеллект для улучшения ловкости рук.

Эта роботизированная перчатка, сочетающая в себе гибкие тактильные датчики, мягкие приводы и искусственный интеллект, первой «почувствовала» разницу между правильными и неправильными версиями одной и той же песни и объединила эти функции в экзоскелете для одной руки.

«Игра на фортепиано требует сложных и высококвалифицированных движений, а задачи повторного обучения включают восстановление и переподготовку определенных движений или навыков», — сказал Эрик Энгеберг, доктор философии, старший автор, профессор кафедры океанической и машиностроительной инженерии ФАУ в Колледже инженерных и компьютерных наук, а также член Центра сложных систем и наук о мозге ФАУ и Института мозга ФАУ Стайлза-Николсона. «Наша роботизированная перчатка состоит из мягких, гибких материалов и датчиков, которые обеспечивают мягкую поддержку и помогают людям заново учиться и восстанавливать свои двигательные способности».

Исследователи интегрировали специальные массивы датчиков в каждый кончик роботизированной перчатки. В отличие от предыдущих экзоскелетов, эта новая технология обеспечивает точное усилие и управление для восстановления тонких движений пальцев, необходимых для игры на фортепиано. Контролируя движения пользователей и реагируя на них, роботизированная перчатка обеспечивает обратную связь и корректировку в режиме реального времени, что облегчает понимание правильных техник движений.

Чтобы продемонстрировать возможности роботизированной перчатки, исследователи запрограммировали ее чувствовать разницу между правильными и неправильными версиями известной мелодии «У Мэри был маленький ягненок», сыгранной на фортепиано. Чтобы внести изменения в производительность, они создали пул из 12 различных типов ошибок, которые могли возникнуть в начале или в конце ноты или из-за ошибок синхронизации, которые были либо преждевременными, либо задержанными и сохранялись в течение 0,1, 0,2 или 0,3 секунды. Десять различных вариаций песни состояли из трех групп по три вариации в каждой, плюс правильная песня, сыгранная без ошибок.

Для классификации вариаций песен алгоритмы «Случайный лес» (RF), «K-ближайший сосед» (KNN) и «Искусственная нейронная сеть» (ANN) были обучены с использованием данных от тактильных датчиков на кончиках пальцев. Ощущение разницы между правильными и неправильными версиями песни осуществлялось с помощью роботизированной перчатки независимо и на человеке. Точность этих алгоритмов сравнивалась для классификации правильных и неправильных вариантов песни с участием человека и без него.

Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Robotics and. ИИ продемонстрировал, что алгоритм ИНС имел высочайшую точность классификации:97,13 процента с участием человека и 94,60 процента без человека. Алгоритм успешно определил процентную ошибку определенной песни, а также выявил несвоевременные нажатия клавиш.

Перчатка была разработана с использованием стентов из поливиниловой кислоты, напечатанных на 3D-принтере, и литья из гидрогеля для объединения пяти актуаторов в одно носимое устройство, которое повторяет форму руки пользователя. Процесс изготовления является новым, а форм-фактор может быть адаптирован к уникальной анатомии отдельных пациентов с использованием технологии 3D-сканирования или компьютерной томографии.

«Наша конструкция значительно проще большинства конструкций, поскольку все приводы и датчики объединены в единый процесс формования», — сказал Энгеберг. «Важно отметить, что хотя в этом исследовании применялось воспроизведение песни, этот подход можно было применить к множеству задач повседневной жизни, и устройство могло бы облегчить сложные программы реабилитации, адаптированные для каждого пациента».

Клиницисты могут использовать эти данные для разработки индивидуальных планов действий, чтобы выявить слабые стороны пациента, которые могут проявляться в виде фрагментов песни, которые постоянно воспроизводятся ошибочно, и могут использоваться для определения того, какие двигательные функции требуют улучшения.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Жизель Галустян по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.