Egzoszkielety, które opracowali naukowcy z North Carolina State University, pozwalają na przyspieszenie chodu czy biegu przy zmniejszeniu zużycia energii
Paweł Rożyński
To już nie są tylko rozwiązania z filmów s.f. Wykorzystuje się je na różnych polach, a krokiem do ich upowszechnienia jest sztuczna inteligencja. Wielkim problemem pozostawała jednak dotąd konieczność długotrwałego „trenowania” egzoszkieletu przez użytkowników, by technologia wiedziała, ile siły potrzeba i kiedy przyłożyć tę siłę, aby pomóc w chodzeniu, bieganiu czy wchodzeniu po schodach. Nowa metoda, oparta na AI, którą opracowali naukowcy z North Carolina State University, umożliwia użytkownikom natychmiastowe wykorzystanie egzoszkieletów.
Trenowanie za pomocą sztucznej inteligencji
Innowacyjna technologia wykorzystuje AI i symulacje komputerowe do ich trenowania. – Zaproponowaliśmy i zademonstrowaliśmy nowe ramy uczenia maszynowego, które wypełniają lukę między symulacją a rzeczywistością, umożliwiając autonomiczne sterowanie egzoszkieletami w celu poprawy mobilności i zdrowia ludzi – mówi Hao Su, autor artykułu opublikowanego w czasopiśmie „Nature”, cytowany przez scitechdialy.com.
– Egzoszkielety mają ogromny potencjał do poprawienia motoryki człowieka – mówi Su, który jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii mechanicznej i lotniczej na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej. – Jednak ich rozwój i szerokie rozpowszechnianie są ograniczone wymogiem długich testów na ludziach i przepisami kontrolnymi. – Teraz fantastyka naukowa staje się rzeczywistością – pozwala ludziom spalać mniej energii podczas wykonywania różnych zadań – mówi Su.
Jakie konkretne korzyści przynosi używanie egzoszkieletu? Podczas testów naukowcy odkryli, że uczestnicy badania zużywali o 24,3 proc. mniej energii metabolicznej podczas chodzenia w robotycznym egzoszkielecie niż bez. W przypadku biegania oszczędność wynosiła 13,1 proc., a podczas wchodzenia po schodach – 15,4 proc.
Nad podobnymi rozwiązaniami pracuje zespół inżynierów z Uniwersytetu Stanforda, który opracował egzoszkielet wspomagany sztuczną inteligencją, który może przyspieszyć chód człowieka dwukrotnie przy jednoczesnym ograniczeniu spalania energii. To w praktyce zaawansowane stabilizatory stawu skokowego, wspierane technologią AI. Egzoszkielet łączy się z kostkami użytkownika i wspomaga ruch za pomocą systemu kół pasowych, który unosi piętę noszącego do góry podczas kroku, zmniejszając w ten sposób energię i siłę potrzebną do skierowania palca w dół, gdy rozpoczyna się następny krok. W taki dość prosty sposób można zoptymalizować krok człowieka. Algorytm – stosując sekwencyjnie różne wzorce momentu obrotowego egzoszkieletu – szacuje wzór optymalny dla danego użytkownika.
Egzoszkielety przełomem w medycynie
Chociaż badania obu uniwersytetów skupiały się na pracy z osobami sprawnymi fizycznie, robotyczne egzoszkielety można zastosować w przyszłości do pomagania osobom z niepełnosprawnością ruchową. I w tym kierunku pójdą dalsze badania. – Jesteśmy na wczesnym etapie testowania skuteczności nowej metody w przypadku egzoszkieletów używanych przez osoby starsze i osoby z chorobami neurologicznymi, takimi jak porażenie mózgowe. Jesteśmy również zainteresowani zbadaniem, w jaki sposób ta metoda może poprawić działanie zrobotyzowanych urządzeń protetycznych dla populacji osób po amputacjach – mówi Su.
Na tym polu ogromne osiągnięcia ma już ukraińsko-amerykański start-up Esper Bionics. Jego samouczące się protezy z AI pomagają ukraińskim żołnierzom, którzy – dzięki integracji sztucznej inteligencji z bioniką – mogą wrócić do armii albo do normalnego życia. Sztuczna inteligencja pomaga protezie szybko uczyć się zachowania użytkownika i wybrać potrzebne mu chwyty. – Jeśli jutro kilka razy wezmę kubek ze stołu, system to zapamięta – mówi Dima Gazda, dyrektor generalny Esper Bionics.
Ręka Esper posiada sześć różnych silników – po jednym na każdy palec i dwa na kciuk. Dzięki temu każdy palec może poruszać się oddzielnie. Może przy tym wykrywać aktywność mięśni. – Myślę, że sztuczna inteligencja będzie kolejnym krokiem w bionice – mówi Dima Gazda.
Ogromne nadzieje rozbudzono pięć lat temu, kiedy sparaliżowany Francuz o imieniu Thibault (nie chciał ujawniać swego nazwiska), który spadł z 15 metrów i uszkodził rdzeń kręgowy, zaczął chodzić i ruszać wszystkimi czterema niewładnymi kończynami, a to za pomocą kontroli umysłu i specjalnego egzoszkieletu.
– Czułem się jak pierwszy człowiek na Księżycu. Nie chodziłem od dwóch lat. Zapomniałem, że byłem kiedyś wyższy niż wielu ludzi w tym pokoju – mówi Thibault. Wziął udział w projekcie firmy Clinatec i Uniwersytetu w Grenoble. Pacjent musiał nauczyć się używać egzoszkieletu. Robił to, poruszając swoim awatarem na ekranie komputera. Ważący 65 kg egzoszkielet nie oznacza jednak pełnego przywrócenia funkcji motorycznych. Francuscy naukowcy ograniczeni byli ilością danych, które mogą odczytać z mózgu, wysłać do komputera, zinterpretować i przesłać do egzoszkieletu w czasie rzeczywistym. Teraz – dzięki AI, miniaturyzacji oraz szybszej transmisji danych – będzie można usprawnić cały proces.
Lepsi ludzie w egzoszkieletach czy roboty?
Egzoszkielety to nie tylko medycyna, wykorzystuje się je już w fabrykach i magazynach. Np. borykający się obecnie z problemami z jakością produkcji producent samolotów Boeing zaczął już kilka lat temu testowo wyposażać swych mechaników w egzoszkielety wzmacniające silę mięśni. – Osiągniemy zdolności funkcjonowania robota i istoty ludzkiej jednocześnie – zapowiadał Christopher Reid, który zaprojektował kombinezony kosmiczne dla NASA, a potem przeszedł do Boeinga. Egzoszkielety nie są tanie (w przypadku Boeinga to 7 tys. dol. za sztukę) i w tym przypadku mogą okazać się ślepą uliczką. Może się bowiem okazać, że firmom niedługo bardziej będzie się opłacać wprowadzanie inteligentnych robotów (w ich rozwoju postęp jest ogromny) do np. dźwigania ciężarów w magazynie niż w ten sposób wspomaganych ludzi.
