Почему мягкому роботу нужен высокий IQ, чтобы трудиться физиотерапевтом?

В прошлой колонке (Реальные угрозы от реальных роботов) мы видели, что тот ущерб, который железные работники могут причинить человеку, вызван не «умными машинами», а глупыминедисциплинированными людьми. Но ни малейшей надежды на то, что люди вдруг изменят свою природу, и станут вести себя осторожнее, нет. Да и трудно предположить, какая осторожность может спасти пенсионерку от падения на внезапно оледенелых улицах города. Так что травмы – скажем голеностопа – придется лечить, в том числе и с помощью физиотерапевтических процедур. В чем могут помочь роботы-физиотерапевты…

И вот сейчас в Университете Карнеги-Меллона разработан исключительно интересный роботизированный терапевтический робот. Точнее всего его можно отнести к экзоскелетам. Он – не протез, не заменяет отсутствующий орган, а работает параллельно с ним. Причем – добиваясь Главная конструктивная особенность его состоит в том, что он – мягкий. Изготовлен из мягкой пластмассы и искусственной кожи, приводится в действие пневматическими искусственными мышцами… Поэтому он более комфортен для ношения, и дает больше шансов восстановить нормальную работу поддерживаемого органа.

Жесткие экзоскелеты для физиотерапевтических целей известны достаточно давно. Идея помочь поврежденным суставам и неработающим мышцам с помощью наружно надетого механизма кажется достаточно очевидной. От века для этих целей употреблялись костыли и «ходунки». И, естественно, развитие электротехники и электроники привело к мысли «одушевить» таки устройства, снабдить их приводами и системами управления, чтобы инвалиды могли хотя бы частично вернуться к активной жизни.

Одним из наиболее известных изделий такого рода является силовой экзоскелет (powered exoskeleton) ReWalk, созданный израильской фирмой Argo Medical Technologies. Его разработчик Амит Гоффер, являясь инвалидом более десяти лет, приложил немало сил для того, чтобы довести устройство до коммерческого использования. Цель ReWalk ясна из нго названия «Ходить Снова», помочь параплегикам, людям, страдающим параличем нижних конечностей, снова начать ходить. Помочь им встать из инвалидного кресла, к которому они были прикованы. Часто десятилетиями…

ReWalk от Argo Medical Technologies

Надевается ReWalk на нижние конечности и пояс, аккумуляторы – энергии в которых хватает на четыре часа – находятся в рюкзачке. Система управления начинает работать, когда пациент наклоняется вперед и начинает переставлять костыли (как видим, о применении церебральных биотоков в доведенных до рыночного применения образцах речи пока не идет...). Посмотреть на использование экзоскелета можно здесь. Неуклюже? Но альтернативой была коляска, из которой экзоскелет извлек. Скажем, проведшего в ней двадцать лет тяжелораненого десантника ЦАХАЛ, позволив ему ходить и управлять машиной.

Причем для продвижения своего изделия в массы Argo Medical Technologies пользуется очень интересными приемами, которые стоит запомнить не только маркетологам, но всем инноваторам, и предпринимателям, и инженерам. Ну, то что прибор прошел клинические испытания в филадельфийском госпитале MossRehab, это понятно – без этого на североамериканский медицинский рынок не попасть. Но создатели сумели «драматизировать» идею – 8 мая 2012 года, парализованная британка Клэр Ломас (Claire Lomas) финишировала на дистанции Лондонского марафона.

Клэр Ломас финиширует на Лондонском марафоне, используя ReWalk

Правда, идти ей по дистанции пришлось семнадцать дней. И использовала она для этого экзоскелет ReWalk в его физиотерапевтической, созданной для применения в медицинских учреждениях, под надзором врача, версии. Но победа над болезнью для наездницы, пять лет прикованной к креслу после травмы на скачках, была символичной (Напомним, что островитяне, у которых всё не как у людей, День Победы празднуют 8 мая…) После чего Клэр стала первым человеком, которому разрешили забрать экзоскелет домой. Ныне же на рынке представлена и версия ReWalk P, предназначенная для домашнего, персонального использования.

Но почему изначальная версия ReWalk, ныне поставляемая как ReWalk I, требовала наблюдения физиотерапевта? Да по очень простой причине… Дело в том, что разгружая мышцы, принимая на себя достающуюся им нагрузку, жесткий силовой скелет их одновременно расслабляет, лишает нагрузки. В результате чего они делаются еще слабее. В больничных условиях это можно скомпенсировать курсом физиотерапевтических упражнений. В домашних… Ну, очень дисциплинированный больной с большой силой воли может их проделывать и сам.

И то, что нынешние версии экзоскелета, поставляющийся с прошлого года ReWalk Rehabilitation 2.0, стали точнее подгоняться по размеру и оснащены более совершенным программным обеспечением, эту проблему не снимают. Жесткий каркас остается жестким каркасом… С неизбежным плохим согласованием с мягким человеческим телом, и вышеуказанными проблемами. И вот за решение этой проблемы взялся робототехник из Университета Карнеги-Меллона доцент (assistant professor) Юнг-Лаэ Парк (Yong-Lae Park).

Во взаимодействии со специалистами Гарвардского университета, Массачусетского технологического института, Университета Южной Калифорнии и фирмы BioSensics он создал «медицинского носимого робота», физиотерапевтический протез голеностопа. Как мы видим из представленной Университетом Карнеги-Меллона картинки, при его разработке использовались методы бионики (Вернем бионику), инженеров вдохновляла живая природа, выработанное эволюцией устройство того самого голеностопа, которому взялись помогать.

При создании мягкого физиотерапевтического экзоскелета инженеров вдохновляла природа

Главная проблема жестких экзоскелетов такая же, как у традиционных роботов. Недостаточная гибкость. Как ведь у промроботов – один шпиндель, одна степень свободы… А человеческий голеностоп – гибкий, отвлекитесь от чтения, покрутите ногой! Так что Парк и попытался сымитировать работу голеностопного сустава Для приведения в действие были установлены четыре пневматических искусственных мышцы (pneumatic artificial muscles, PAMs), три (видимых на картинке) соответствуют мышцам передней стороны ноги, невидимая расположена сзади (какие они там, больше-… и малоберцовые, разгибатели пальцев и т.п. медики могут любезно указать в комментариях). 

Дальше движения растаскиваются по материалу мягкого экзоскелета с помощью искусственных сухожилий. «Нервами», естественно, работают электрические провода. А вот датчики, говорящие о текущем положении искусственного протеза, очень интересны и высокотехнологичны. Они интегрированы в искусственную кожу, и представляют собой тонкие листки резины, пронизанные сетью микроканалов, заполненных металлическим сплавом, находящимся в жидком состоянии. При растяжении листков или нажатии на них деформация каналов вызывает изменение электрического сопротивления, которое и замеряется системой управления.

И вот в ней-то, в системе управления, и есть главная сложность! Зачем понадобилась мягкость (говоря по-инженерному, а не по-медицински)? Чтобы обеспечить больше степеней свободы. А больше степеней свободы означает, что осуществляется управление объектом, описываемым фазовым пространством с большей размерностью (Железо, белок и кремний). Плюс – роботизированный экзопротез гибкий. Это говорит о том, что описывающие его уравнения будут существенно нелинейными. То есть необходимо в реальном масштабе времени решать очень сложную задачу.

Помочь восстановить двигательные функции одного единственного сустава для человека, страдающего церебральным параличом, боковым амиотрофическим склерозом, склерозом рассеянным или инсультом (надеюсь, медики глянут, правильно ли я перевел английские термины…) оказывается много сложнее, чем спроектировать межконтинентальную ракету и боеголовку для ней. Больше вычислительных ресурсов нужно для того, чтобы излечить одного, чем чтобы испепелить миллионы. Но вот сейчас ИТ оказываются способны справиться с решением первой задачи.

Зря что ли миллиардным тиражом производятся смартфоны, с гигафлопсной мощностью процессоров… Так что управление налажено с приемлемым качеством, ролик здесь. Считается, что для массового внедрения необходимо повысить износостойкость и создать более компактные, уплощенного сечения, пневматические искусственные мышцы. Только тогда устройство пойдет в больницы и к пациентам. Но прецедент создания мягкого робота с высоким IQ, с большим числом степеней свободы, уже налицо!