Un team di ricercatori del MIT Media Lab ha ideato un algoritmo che promette di migliorare notevolmente il tracciamento simultaneo di qualsiasi numero di magneti. Ciò ha implicazioni significative per le protesi, realtà aumentata, robotica, e altri campi.

Studente laureato Cameron Taylor, ricercatore capo sull'approccio nel gruppo Biomeccatronica del Media Lab, afferma che l'algoritmo riduce drasticamente il tempo necessario ai sensori per determinare le posizioni e gli orientamenti dei magneti incorporati nel corpo, Di legno, ceramica, e altri materiali.

"Sogno da anni un approccio minimamente invasivo al controllo delle protesi, e i magneti offrono quel potenziale, "dice Hugh Herr, professore di arti e scienze dei media al MIT e capo del gruppo Biomeccatronica. "Ma le tecniche precedenti erano troppo lente per monitorare il movimento dei tessuti in tempo reale con un'elevata larghezza di banda".

Il lavoro, "Tracciamento a bassa latenza di più magneti permanenti, " è stato pubblicato da IEEE Sensors Journal . Anche la studentessa del MIT Haley Abramson è co-autrice.

Monitoraggio in tempo reale

Per anni, le protesi si sono affidate all'elettromiografia per interpretare i messaggi dal sistema nervoso periferico dell'utente. Gli elettrodi attaccati alla pelle adiacenti ai muscoli misurano gli impulsi forniti dal cervello per attivarli.

È un sistema tutt'altro che perfetto. La capacità degli elettrodi di rilevare segnali che cambiano nel tempo, oltre a stimare la lunghezza e la velocità del movimento muscolare, è limitato, e indossare i dispositivi può essere scomodo.

Gli scienziati hanno a lungo cercato di trovare un modo per usare i magneti, che può essere incorporato nel corpo indefinitamente, per controllare la robotica ad alta velocità. Ma continuavano a incontrare un grosso ostacolo:i computer impiegavano troppo tempo per determinare con precisione dove si trovavano i magneti e avviare una reazione.

"Il software deve indovinare dove si trovano i magneti, e con quale orientamento, "Ha detto Taylor. "Controlla quanto è buona la sua ipotesi dato il campo magnetico che vede, e quando è sbagliato, indovina ancora e ancora finché non si ferma sul luogo."

Quel processo, che Taylor paragona a un gioco di Caldo e Freddo, richiede molti calcoli, che ritarda il movimento. "I sistemi di controllo robotico richiedono velocità molto elevate in termini di reattività, " dice Herr. "Se il tempo tra il rilevamento e l'attuazione da parte di una piattaforma ingegnerizzata è troppo lungo, può verificarsi instabilità del dispositivo."

Per ridurre il ritardo nel tracciamento del magnete, un computer avrebbe bisogno di identificare rapidamente quale direzione fosse "più calda" prima di fare un'ipotesi sulla posizione di un magnete. Taylor era sdraiato sul pavimento a casa un giorno riflettendo su questo problema quando si rese conto che la direzione "più calda" poteva essere calcolata molto rapidamente usando semplici tecniche di codifica del computer.

"Ho capito subito che era possibile, che è stato estremamente eccitante. Ma dovevo ancora convalidarlo, " lui dice.

Una volta convalidato, Taylor e i membri del suo team di ricerca hanno dovuto risolvere un altro problema che complica il tracciamento dei magneti:il disturbo del campo magnetico terrestre. I metodi tradizionali per eliminare tale interferenza non erano pratici per il tipo di compatto, sistema mobile necessario per protesi ed esoscheletri.

Il team ha trovato una soluzione elegante programmando il software del computer per cercare il campo magnetico terrestre come se fosse semplicemente un altro segnale magnetico.

Hanno quindi testato il loro algoritmo utilizzando un sistema con una serie di magnetometri che tracciano fino a quattro minuscoli, magneti simili a perle. Il test ha dimostrato che, rispetto ai più moderni sistemi di tracciamento magnetico, il nuovo algoritmo ha aumentato le larghezze di banda massime del 336 percento, 525 per cento, 635 per cento, e il 773 percento quando viene utilizzato per tracciarne uno simultaneamente, Due, tre, e quattro magneti rispettivamente.

Taylor ha sottolineato che una manciata di altri ricercatori hanno utilizzato lo stesso approccio derivato per il monitoraggio, ma non ha dimostrato il tracciamento di più magneti mobili in tempo reale. "Questa è la prima volta che un team ha dimostrato questa tecnica per il monitoraggio in tempo reale di più magneti permanenti contemporaneamente, " lui dice.

E tale tracciamento non è mai stato utilizzato in passato come mezzo per accelerare il tracciamento magnetico. "Tutte le implementazioni in passato hanno utilizzato linguaggi informatici di alto livello senza le tecniche che utilizziamo per migliorare la velocità, "dice Taylor.

Il nuovo algoritmo significa, secondo Taylor e Herr, che il tracciamento magnetico del bersaglio può essere esteso all'alta velocità, applicazioni in tempo reale che richiedono il monitoraggio di uno o più target, eliminando la necessità di un array di magnetometri fissi. Il software abilitato con il nuovo algoritmo potrebbe migliorare notevolmente il controllo riflessivo di protesi ed esoscheletri, semplificare la levitazione magnetica, e migliorare l'interazione con i dispositivi di realtà aumentata e virtuale.

"Esistono tutti i tipi di tecnologia da impiantare nel sistema nervoso o nei muscoli per controllare la meccatronica, ma in genere c'è un filo attraverso il confine della pelle o l'elettronica incorporata all'interno del corpo per fare la trasmissione, " Herr dice. "La bellezza di questo approccio è che stai iniettando piccole sfere magnetiche passive nel corpo, e tutta la tecnologia rimane fuori dal corpo."

Numerose applicazioni

Il gruppo Biomechatronics è principalmente interessato a utilizzare le sue nuove scoperte per migliorare il controllo delle protesi, ma Hisham Bedri, un laureato del Media Lab che lavora nella realtà aumentata, afferma che le potenziali applicazioni dei progressi sono enormi nel mercato dei consumatori. "Se volessi entrare nel mondo della realtà virtuale e, dire, calcia un pallone, questo è super utile per qualcosa del genere, "Dice Bedri. "Questo avvicina il futuro alla realtà".

Le persone si stanno già iniettando minuscoli magneti nella speranza di usarli per migliorare le prestazioni naturali del corpo, e questo solleva una domanda interessante sulla politica pubblica, Herr dice. "Quando le persone 'normali' vogliono essere impiantate con magneti per migliorare le funzioni corporee, come ci pensiamo?" dice. "Non è un dispositivo o un'applicazione medica, quindi sotto quale organismo di regolamentazione permetteremo a Joe e Suzy di farlo? Abbiamo bisogno di una discussione politica vigorosa intorno a questa domanda".

Il gruppo ha richiesto un brevetto sul suo algoritmo e sul suo metodo per utilizzare i magneti per tracciare il movimento muscolare. Sta inoltre collaborando con la Food and Drug Administration degli Stati Uniti su linee guida per la transizione dell'alta velocità, tracciamento magnetico ad ampia larghezza di banda nel regno clinico.

Ora i ricercatori si stanno preparando a svolgere un lavoro preclinico per convalidare che questa tecnica funzionerà per tracciare i tessuti umani e controllare protesi ed esoscheletri. "Penso che sia possibile iniziare i test sugli esseri umani non appena il prossimo anno, " Herr dice. "Questo non è affatto qualcosa che è tra 10 anni".

Oltre a questo? "La nostra visione a lungo termine per il futuro è che iniettiamo questi magneti dentro di te e me e li usiamo per utilizzare una tuta Iron Man non militante:tutti andrebbero in giro con la forza dei supereroi, "Taylor dice, solo la metà per scherzo. "Sul serio, anche se, Penso che questo sia il pezzo mancante per consentirci finalmente di prendere il tracciamento del magnete e spostarlo in un luogo in cui possa essere utilizzato molto più ampiamente".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.