Парк, работая с сотрудниками из Гарвардского университета, Университета Южной Калифорнии, Массачусетского технологического института и BioSensics, разработал активное ортопедическое устройство с использованием мягких пластиков и композитных материалов вместо жесткого экзоскелета. Мягкие материалы в сочетании с пневматическими искусственными мышцами (PAM), легкими датчиками и передовым программным обеспечением для управления позволили роботизированному устройству достигать естественных движений в голеностопном суставе.
Исследователи сообщили о разработке в журнале Bioinspiration & Biomimetics.
Пак, который выполнял эту работу, будучи исследователем после получения докторской степени в Гарвардском институте биологической инженерии Висса, сказал, что тот же подход можно использовать для создания реабилитационных устройств для других суставов тела или даже для создания мягких экзоскелетов, которые увеличивают силу владелец.
Роботизированное устройство подходит для оказания помощи людям с нервно-мышечными заболеваниями стопы и голеностопного сустава, связанными с церебральным параличом, боковым амиотрофическим склерозом, рассеянным склерозом или инсультом. Эти нарушения походки включают в себя опущенную стопу, при которой передняя часть стопы опускается из-за слабости или паралича, и эквинус, при котором ограничивается сгибательное движение вверх голеностопного сустава. Обычные пассивные ортезы на голеностопный сустав могут улучшить походку, но длительное использование может привести к атрофии мышц из-за неиспользования.
По словам Парк, активные устройства с питанием могут улучшить работу, а также помочь перевоспитать нервно-мышечную систему. «Но ограничение традиционного экзоскелета состоит в том, что он ограничивает естественные степени свободы тела», — добавил он.
Голеностопный сустав, естественно, способен к сложному трехмерному движению, но большинство жестких экзоскелетов допускают только одну точку поворота.
Мягкое ортопедическое устройство, напротив, позволило исследователям имитировать биологическую структуру голени. Искусственные сухожилия устройства были прикреплены к четырем PAM, которые соответствуют трем мышцам передней ноги и одной задней, которые контролируют движение голеностопного сустава. Прототип был способен генерировать диапазон сагиттальных движений голеностопного сустава до 27 градусов, что достаточно для нормальной ходьбы.
Однако компромисс заключается в том, что мягким устройством сложнее управлять, чем жестким экзоскелетом. Таким образом, потребовалось более сложное зондирование для отслеживания положения голеностопного сустава и стопы и более интеллектуальная схема для управления движением стопы, сказал Парк.
Среди нововведений в устройстве — сенсоры из сенсорной искусственной кожи, тонкие резиновые листы, содержащие длинные микроканалы, заполненные жидким металлическим сплавом. Когда эти резиновые листы растягиваются или сжимаются, форма микроканалов изменяется, что, в свою очередь, вызывает изменения электрического сопротивления сплава. Эти датчики располагались сверху и сбоку от щиколотки.
Парк сказал, что потребуются дополнительные работы, чтобы улучшить удобство ношения устройства.
Сюда входят искусственные мышцы, которые менее громоздки, чем коммерчески производимые PAM, используемые в этом проекте. Пак сказал, что в следующем проекте, который будет представлен на предстоящей технической конференции, вместо цилиндрических PAM используются плоские ременные приводы.
Устройство еще предстоит испытать на пациентах, чтобы определить его эффективность в качестве реабилитационного инструмента.
Видео устройства доступно на YouTube: http: // www.YouTube.com / watch?v = IbXRiTbuDvY