חוקרים פיתחו אלגוריתם חדש המשלב שני תהליכים להתאמה אישית של מכשירים תותבים רובוטיים כדי לייעל את התנועה של הגפה התותבת וגם – בפעם הראשונה – גם לעזור לגוף של משתמש אנושי לעסוק בדפוס הליכה טבעי יותר. ניתן להשתמש בגישה החדשה כדי לעזור לשחזר ולתחזק היבטים שונים של תנועת המשתמש, במטרה להתמודד עם אתגרים בריאותיים הקשורים לקטיעה.
"אלגוריתמים שנועדו לשפר את ההתנהגות של תותבות רובוטיות אינם חדשים – אבל זה האלגוריתם הראשון שגם משפר בצורה הוליסטית את ההתנהגות הפיזית של האדם המקיים אינטראקציה עם אותם תותבות", אומר Varun Nalam, מוביל ומחבר שותף של מאמר על העבודה.
"כאשר לאנשים יש קטיעה מעל הברך, זה משפיע על האופן שבו הם מזיזים חלקים אחרים בגופם", אומר נאלם, עוזר פרופסור למחקר במחלקה המשותפת להנדסה ביו-רפואית של Lampe באוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט ואוניברסיטת צפון קרוליינה בצ'פל היל. "זה יכול להוביל לכאבי גב תחתון, בעיות בירך וכן הלאה. תותבות רובוטיות עד לנקודה זו התמקדו בהחלפת תנועת המפרק החסר. כך, למשל, התוכנה השולטת בהתנהגות של ברכיים תותבות רובוטיות התמקדה אך ורק באופטימיזציה של התנועה של מפרק הברך התותב.
"המטרה שלנו עם העבודה הזו הייתה לפתח אלגוריתם חדש שמאפשר לנו לעשות שני דברים", אומר נלם. "אנחנו עדיין רוצים להבטיח שמפרק הברך התותב מתפקד כהלכה – אבל אנחנו גם רוצים להבטיח שהמשתמש גוּף הוא גם נע באותו אופן שהיה לפני הקטיעה. זה לא רק נותן למשתמש את טווח התנועה המלא של הרגליים, אלא גם יעזור למנוע כאבי גב תחתון, בעיות בירך וכו'.
המחקר החדש מתבסס על עבודה קודמת, שבה החוקרים פיתחו מערכת חכמה ל"כיוונון" ברכיים תותבות מופעלות. מערכת זו אפשרה למטופלים ללכת בנוחות עם המכשיר התותב תוך דקות, ולא בשעות הדרושות אם המכשיר היה מכוון על ידי רופא קליני מיומן. המערכת הייתה הראשונה שהסתמכה אך ורק על למידת חיזוק כדי לכוון תותבת רובוטית.
"עבודה זו השיגה בקרת תותבת אופטימלית באמצעות אלגוריתם למידת חיזוק", אומרת הלן הואנג, מחברת בכירה של המאמר והפרופסור הנכבד להנדסה ביו-רפואית של משפחת ג'קסון במחלקה המפרקית של לאמפ. "עם זאת, היא התמקדה אך ורק בהתנהגות התותבות. בעבודה החדשה הזו, בנינו על אותה מערכת קודמת עם אלגוריתם חדש שמשתמש בלמידה של חיזוק הפוך כדי להסביר את התנועה של התותבת ושל האדם המשתמש בה".
הברך התותבת הרובוטית משלבת חיישנים למעקב אחר תנועתה. בבדיקת הוכחת מושג, החוקרים התמקדו גם בתנועת הירך של המשתמש, שנוטטה באמצעות חיישנים המחוברים ללובש.
"האלגוריתם החדש מסביר בעצם את התנועה של שני המפרקים – הברך התותבת והירך של המשתמש – ומתאים את התנהגות הברך התותבת כדי לעזור למשתמש להפגין את תנועת הירך הטבעית שלו", אומר נלם.
"בעוד שהתמקדנו בתנועת ירכיים עבור המחקר הזה, האלגוריתם יכול לשמש גם כדי לעזור למשתמשים בתנועת תא המטען, הליכה סימטרית או היבטים אחרים של ביצועים אנושיים", אומר הואנג.
כדי לבחון את האלגוריתם החדש, החוקרים גייסו חמישה משתתפים במחקר: שני משתתפים היו אנשים שעברו קטיעה מעל הברך, שלושה משתתפים לא עברו קטיעה. כל חמשת המשתתפים במחקר ביצעו סדרה של משימות באמצעות ברך תותבת רובוטית בשני תנאים שונים. במצב הראשון, הברך נותחה באמצעות תוכנה ששילבה רק את המערכת הקודמת לשליטה בברכיים. במצב השני, התוכנה שילבה את השילוב החדש של אלגוריתמים.
"הממצא העיקרי כאן היה ששילוב האלגוריתם החדש שיפר את טווח התנועה של הירך עבור כל חמשת הנבדקים, מה שמוכיח שהוא יכול לעשות הבדל לבריאות הירך", אומר נאלם. "גילינו גם שהאלגוריתם החדש שינה את ההליכה של נבדקי המחקר שלנו בדרכים שמצביעות על כך שהתנועה הרגישה טבעית יותר עבור המשתמשים. למשל, הם עשו צעדים ארוכים יותר בהליכה".
"מנקודת מבט מעשית, השלבים הבאים כוללים עבודה עם רופאים כדי לראות כיצד זה משפיע על רווחת המשתמש לאורך זמן", אומר הואנג. "אנחנו גם מעוניינים לעבוד עם חברות שמייצרות תותבות רובוטיות כדי לחקור שאלות הקשורות לשילוב גישה זו בתוכנה שלהן."
"מנקודת מבט מחקרית, אנו מעוניינים לקבוע כיצד ניתן להשתמש בגישה זו כדי לסייע בטיפול במגוון התנהגויות של קטר אנושי", אומר נלם.
