L’algorithme peut améliorer les prothèses et les exosquelettes contrôlés par le cerveau
Une équipe de chercheurs du Media Lab du MIT a mis au point un système d’évaluation de l’impact sur l’environnement. algorithme qui promet d’améliorer considérablement le suivi simultané d’un nombre quelconque d’aimants. Cela a des implications importantes pour les prothèses, la réalité augmentée, la robotique et d’autres domaines.
Cameron Taylor, étudiant diplômé et chercheur principal sur l’approche du groupe Biomécatronique du Media Lab, affirme que l’algorithme réduit considérablement le temps nécessaire aux capteurs pour déterminer la position et l’orientation des aimants intégrés dans le corps, le bois, la céramique et autres matériaux.
« Je rêve depuis des années d’une approche minimalement invasive pour contrôler les prothèses, et les aimants offrent ce potentiel « , déclare Hugh Herr, professeur d’arts médiatiques et de sciences au MIT et chef du groupe Biomécatronique. « Mais les techniques précédentes étaient trop lentes pour suivre le mouvement des tissus en temps réel avec une bande passante élevée. »
Le travaillerLow-Latency Tracking of Multiple Permanent Magnets, a été publié par IEEE Sensors Journal. Haley Abramson, étudiante de premier cycle au MIT, est également coauteure.
Suivi en temps réel
Pendant des années, les prothèses ont eu recours à l’électromyographie pour interpréter les messages du système nerveux périphérique de l’utilisateur. Les électrodes attachées à la peau adjacente aux muscles mesurent les impulsions émises par le cerveau pour les activer.
C’est un système imparfait. La capacité des électrodes à détecter les signaux qui changent avec le temps, ainsi qu’à estimer la longueur et la vitesse du mouvement musculaire, est limitée, et le port de ces appareils peut être inconfortable.
Les scientifiques ont longtemps tenté de trouver un moyen d’utiliser des aimants, qui peuvent être intégrés dans le corps indéfiniment, pour contrôler la robotique à grande vitesse. Mais ils se heurtaient à un obstacle de taille : les ordinateurs mettaient trop de temps à déterminer précisément où se trouvaient les aimants et à déclencher une réaction.
« Le logiciel doit deviner où se trouvent les aimants et dans quelle orientation, a dit M. Taylor. « Il vérifie la qualité de sa supposition en fonction du champ magnétique qu’il voit, et quand il se trompe, il devine encore et encore jusqu’à ce qu’il se concentre sur l’endroit. »
Ce processus, que Taylor se compare à un jeu du chaud et du froidIl faut beaucoup de calculs, ce qui retarde le mouvement. « Les systèmes de commande robotique exigent des vitesses très élevées en termes de réactivité « , explique M. Herr. « Si le temps entre la détection et l’actionnement par une plate-forme technique est trop long, l’appareil peut devenir instable. »
Pour réduire le retard dans le suivi des aimants, un ordinateur devrait rapidement identifier la direction la plus « chaude » avant de deviner l’emplacement d’un aimant. Un jour, Taylor était allongé sur le sol de sa maison à réfléchir à ce problème lorsqu’il s’est rendu compte que la direction « la plus chaude » pouvait être calculée très rapidement à l’aide de simples techniques de codage informatique.
« J’ai tout de suite su que c’était possible, ce qui était extrêmement excitant. Mais j’ai quand même dû le valider « , dit-il.
Une fois validé, Taylor et les membres de son équipe de recherche ont dû résoudre un autre problème qui complique le suivi des aimants : la perturbation du champ magnétique terrestre. Les méthodes traditionnelles d’élimination de ces interférences n’étaient pas pratiques pour le type de système compact et mobile nécessaire pour les prothèses et les exosquelettes.
L’équipe a trouvé une solution élégante en programmant son logiciel informatique pour rechercher le champ magnétique terrestre comme s’il s’agissait simplement d’un autre signal magnétique.
Ils ont ensuite testé leur algorithme à l’aide d’un système comportant un réseau de magnétomètres qui suivent jusqu’à quatre minuscules aimants en forme de perles. Le test a démontré que, par rapport aux systèmes de poursuite magnétique de pointe, le nouvel algorithme a augmenté les largeurs de bande maximales de 336 %, 525 %, 635 % et 773 % lorsqu’il est utilisé pour suivre simultanément un, deux, trois et quatre aimants respectivement.
Taylor a souligné qu’une poignée d’autres chercheurs ont utilisé la même approche dérivée pour le suivi, mais n’ont pas démontré le suivi de multiples aimants en mouvement en temps réel. « C’est la première fois qu’une équipe fait la démonstration de cette technique de suivi en temps réel de plusieurs aimants permanents à la fois « , dit-il.
Et un tel suivi n’a jamais été déployé dans le passé comme moyen d’accélérer le suivi magnétique. « Dans le passé, toutes les mises en œuvre ont utilisé des langages informatiques de haut niveau sans les techniques que nous utilisons pour améliorer la vitesse « , explique M. Taylor.
Le nouvel algorithme signifie, selon Taylor et Herr, que la poursuite de cibles magnétiques peut être étendue à des applications haute vitesse en temps réel qui nécessitent la poursuite d’une ou de plusieurs cibles, ce qui élimine le besoin d’un réseau de magnétomètres fixes. Le logiciel activé par le nouvel algorithme pourrait grandement améliorer le contrôle réflexif des prothèses et des exosquelettes, simplifier la lévitation magnétique et améliorer l’interaction avec les dispositifs de réalité augmentée et virtuelle.
« Il existe toutes sortes de technologies pour implanter dans le système nerveux ou les muscles pour contrôler la mécatronique, mais il y a généralement un fil à travers la limite de la peau ou une électronique intégrée à l’intérieur du corps pour faire la transmission « , dit Herr. « La beauté de cette approche est que vous injectez de petites perles magnétiques passives dans le corps, et toute la technologie reste en dehors du corps. »
De nombreuses applications
Le groupe Biomécatronique est principalement intéressé à utiliser ses nouvelles découvertes pour améliorer le contrôle des prothèses, mais Hisham Bedri, un diplômé du Media Lab qui travaille en réalité augmentée, dit que les applications potentielles de ces avancées sont énormes sur le marché des consommateurs. « Si vous vouliez entrer dans le monde de la réalité virtuelle et, disons, frapper un ballon, c’est très utile pour quelque chose comme ça « , dit Bedri. « Cela rapproche cet avenir de la réalité. »
Les gens s’injectent déjà de minuscules aimants dans l’espoir de les utiliser pour améliorer la performance naturelle de leur corps, ce qui soulève une question intéressante au sujet de la politique publique, dit Herr. Quand les gens » normaux » veulent qu’on leur implante des aimants pour améliorer leurs fonctions corporelles, qu’est-ce qu’on en pense, dit-il. « Il ne s’agit pas d’un dispositif ou d’une application médicale, alors en vertu de quel organisme de réglementation allons-nous permettre à Joe et Suzy de faire cela ? Nous avons besoin d’une discussion politique vigoureuse sur cette question. »
Le groupe a déposé une demande de brevet pour son algorithme et sa méthode d’utilisation des aimants pour suivre les mouvements musculaires. Elle travaille également avec la Food and Drug Administration des États-Unis à l’élaboration de lignes directrices pour la transition du suivi magnétique à grande vitesse et à large bande passante dans le domaine clinique.
Les chercheurs se préparent maintenant à effectuer des travaux précliniques pour valider l’efficacité de cette technique dans le suivi des tissus humains et le contrôle des prothèses et des exosquelettes. « Je pense qu’il est possible que nous commencions les tests sur les humains dès l’année prochaine « , dit Herr. « Ce n’est pas quelque chose qui se passe dans 10 ans. »
Au-delà de ça ? « Notre vision à long terme pour l’avenir est d’injecter ces aimants dans vous et moi et de les utiliser pour faire fonctionner une combinaison Iron Man non dilatante – tout le monde se promènerait avec une force de super-héros « , dit Taylor, la moitié seulement en plaisantant. « Sérieusement, je pense que c’est la pièce manquante pour que nous puissions enfin prendre le suivi de l’aimant et le déplacer à un endroit où il pourra être utilisé beaucoup plus largement. »
L’image complète et les crédits vidéo sont disponible via le Media Lab.