Gli ingegneri di Caltech hanno lanciato una nuova iniziativa di ricerca volta a ripristinare la locomozione naturale e stabile di individui con deficienze motorie dovute a lesioni e ictus del midollo spinale.

Questa iniziativa, soprannominato RoAM (Mobilità Robotica Assistita), unisce dispositivi di assistenza robotica, inclusi esoscheletri e protesi, con neurocontrollo infuso di intelligenza artificiale (AI). L'iniziativa RoAM combina la ricerca di due roboticisti Caltech:Aaron Ames, chi crea gli algoritmi che consentono la deambulazione di robot bipedi e li traduce per governare il movimento di esoscheletri e protesi; e Joel Burdick, i cui impianti spinali transcutanei hanno già aiutato i paraplegici negli studi clinici a recuperare alcune funzioni delle gambe e, in modo cruciale, controllo del busto.

Un certo numero di aziende di robotica ha iniziato a costruire esoscheletri, dispositivi con gambe robotiche a cui una persona può allacciarsi, per fornire mobilità a persone paralizzate dalla vita in giù. Il problema è che tutti i dispositivi attuali richiedono l'uso di stampelle per mantenere la stabilità.

"La camminata bipede è difficile da raggiungere in modo stabile, "dice Ames, Bren Professore di Meccanica e Ingegneria e Sistemi Dinamici e di Controllo nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate. "Mentre le stampelle aiutano gli utenti degli esoscheletri a stare in piedi, riducono molti dei benefici per la salute che la locomozione eretta potrebbe altrimenti fornire. Inoltre, non consentono agli utenti di fare altro con le mani mentre camminano."

È qui che entra in gioco il lavoro di Ames e Burdick.

Ames ha creato programmi che consentono ai robot bipedi di camminare, renderli stabili applicando metodi della teoria del controllo non lineare. Il suo approccio ha portato a una camminata efficiente da parte di robot umanoidi, insieme a comportamenti dinamici come correre e saltare. In collaborazione con il produttore francese di esoscheletri Wandercraft e il suo collega Jessy Grizzle dell'Università del Michigan, Ames ha tradotto questi metodi dai robot agli esoscheletri potenziati della parte inferiore del corpo. Il risultato finale è stato il primo esoscheletro ambulante dinamico utilizzabile dai paraplegici senza bisogno di stampelle. Questo ha il potenziale per dare ai paraplegici mobilità a mani libere, dice Ames. Nel futuro, accoppiare il suo lavoro con la stimolazione spinale consentirà un feedback diretto tra l'utente e il dispositivo.

Nel frattempo Burdick, Richard L. e Dorothy M. Hayman Professore di ingegneria meccanica e bioingegneria e ricercatore presso JPL, che Caltech gestisce per la NASA, ha sviluppato impianti spinali che hanno ripristinato alcune funzioni della parte inferiore del corpo per i portatori negli studi clinici.

L'impianto, sviluppato in collaborazione con l'ingegnere biomedico di Caltech Yu-Chong Tai, Anna L. Rosen Professore di Ingegneria Elettrica e Ingegneria Medica, e l'esperto di intelligenza artificiale Yisong Yue, assistente professore di informatica e scienze matematiche, fornisce stimolazione elettrica allo spazio epidurale attorno al midollo spinale inferiore mentre si utilizza l'intelligenza artificiale per apprendere, in tempo reale, i modelli di stimolazione che producono i migliori risultati per i portatori. Negli studi clinici presso l'UCLA, la protesi permetteva ai portatori paralizzati di stare in piedi da soli fino a 20 minuti alla volta e di muovere volontariamente le dita dei piedi, caviglie, ginocchia, e fianchi.

Uno dei partecipanti al test dello stimolatore spinale possedeva anche un esoscheletro, e così i ricercatori hanno testato le due tecnologie insieme in uno studio all'UCLA tre anni fa. Hanno scoperto che quando lo stimolatore spinale è stato acceso, l'esoscheletro richiedeva metà della potenza per spostarsi alla stessa distanza rispetto allo stimolatore spento.

"Con lo stimolatore e l'esosuit, stava quasi camminando da solo, " Burdick dice. "Quel primo studio è stato molto promettente".

L'iniziativa RoAM esplorerà l'intersezione della stimolazione del midollo spinale infusa dall'intelligenza artificiale utilizzando un esoscheletro modello Wandercraft Atalante situato al Caltech. "L'esoscheletro Atalante e gli algoritmi di deambulazione che abbiamo creato sono già abbastanza buoni da consentire agli utenti di camminare in modo dinamico senza stampelle, " Ames dice. "L'iniziativa RoAM consentirà loro di farlo utilizzando meno energia e per una varietà di diversi comportamenti di camminata dinamica, con l'obiettivo di migliorare la vita quotidiana degli utenti."

In definitiva, l'iniziativa RoAM andrà oltre gli esoscheletri nell'esplorazione di modi per ripristinare la mobilità. Gli algoritmi di camminata dinamica sviluppati da Ames sono già stati tradotti in protesi su misura alloggiate nel suo laboratorio, inclusa una gamba motorizzata per amputati sopra il ginocchio. Inoltre, saranno sviluppati esoscheletri morbidi, o esotute, per aiutare a stabilizzare le andature deambulanti per le persone che non sono paralizzate ma hanno difficoltà motorie.