Tiến bộ công nghệ hỗ trợ vận động cơ thể người

Cảm biến đeo được giúp mở khóa tiềm năng exosuit

Mặc một bộ đồ ngoài (exosuit) có thể giúp mọi người phục hồi sau chấn thương hoặc thậm chí giúp tăng thêm sức mạnh nếu đang mang một vật nặng. Tuy nhiên, theo một nhóm nhà nghiên cứu Đại học Wisconsin-Madison (UW-Madison) và Đại học Harvard, không phải ai đeo robot đeo được ngày nay cũng có thể ngay lập tức thu được lợi ích từ sự hỗ trợ. Lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu khai thác một cảm biến đeo độc đáo cho phép đo trực tiếp lực tác động lên gân Achilles của người đeo chiếc ba lô nặng trong khi mặc bộ đồ ngoài (exosuit).

Nhóm nhà nghiên cứu thực hiện loạt thí nghiệm cơ sinh học nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm, nhưng đáng chú ý là hệ thống này được đeo trên cơ thể và có thể di chuyển được. Điều này cho phép nhóm tiến hành thêm thử nghiệm ngoài trời đối với một người để chứng minh khả năng tồn tại trong thế giới thực.

Dylan Schmitz, kỹ sư cơ khí của UW-Madison, cho biết: “Thật thú vị khi chúng tôi có thể sử dụng exosuit ở ngoài trời và có được những phép đo trực tiếp về lực gân Achilles. Đó là bước tiến lớn để nhận ra toàn bộ tiềm năng exosuit trong môi trường thực tế. Có một số trường hợp mà việc có một bộ đồ ngoài exosuit giới hạn trong phòng thí nghiệm vẫn là một lợi ích - chẳng hạn như để làm việc với bệnh nhân trong môi trường lâm sàng. Nhưng nếu bạn muốn gửi thiết bị về nhà cho mọi người hoặc nếu một người muốn mua một thiết bị cho mục đích cá nhân sử dụng, thì việc hiểu cách bộ đồ ngoài exosuit hoạt động trong những môi trường đó thực sự quan trọng”.

Phát hiện của nhóm nhà nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tùy chỉnh bộ đồ ngoài exosuit cho người dùng để nó có thể hữu ích hơn trong môi trường thực tế. Exosuit gợi ra sự thay đổi cụ thể trong cơ chế sinh học của người mang - ví dụ: một thiết bị robot đeo trên mắt cá chân của một người có thể được lập trình đúng thời điểm trong khi đi bộ để có khả năng giảm tải cho cơ bắp chân và gân Achilles. Cho đến nay, việc tạo ra hiệu ứng mong muốn đối với cá nhân người mang vẫn còn là một thách thức - và không có cách nào tốt để đo lường trực tiếp những thay đổi về lực tác động lên mô cơ và gân xảy ra khi một người sử dụng bộ đồ ngoài exosuit.

Nhóm nghiên cứu UW-Madison và Harvard đã giải quyết thách thức đó - sử dụng một cảm biến đeo được độc đáo có tên là máy đo độ căng sóng biến dạng. Được phát triển bởi nhóm kỹ sư của UW Madison, thiết bị đơn giản không xâm lấn này dễ dàng gắn trên da qua một đường gân. Máy đo độ căng cho phép nhóm nhà nghiên cứu đánh giá trực tiếp lực của gân bằng cách xem xét đặc điểm rung động của gân thay đổi như thế nào khi nó chịu tải cũng như trong quá trình di chuyển.

Trong nghiên cứu của nhóm nhà nghiên cứu, 8 người tham gia mặc bộ đồ ngoài exosuit hoàn toàn di động ở mắt cá chân làm bằng vải mềm cùng với bộ truyền động, được phát triển bởi nhóm nhà nghiên cứu Harvard. Những người tham gia, tất cả đều là thanh niên khỏe mạnh, đi bộ trên máy chạy bộ có thiết bị với một số mức hỗ trợ áo khoác ngoài khác nhau, đồng thời mang theo nhiều trọng lượng ba lô. Trong loạt thử nghiệm này, nhóm nhà nghiên cứu đo một số thông số cơ sinh học và cũng sử dụng máy đo độ căng để đo trực tiếp tải trọng lên gân Achilles. Đúng như dự đoán, nhóm nhà nghiên cứu phát hiện khi tăng thêm trọng lượng cho chiếc ba lô, lực của gân Achilles sẽ tăng lên. Tuy nhiên, khi những người tham gia mặc bộ đồ ngoài exosuit để giúp mang vác, kết quả không thể đoán trước được. Đối với một số người tham gia, bộ đồ ngoài exosuit giúp giảm đáng kể lực tác động lên gân Achilles của họ trong khi đi bộ - trên thực tế, gần như thể họ không mang theo một chiếc ba lô nặng. Nhưng những người tham gia khác thấy lực gân Achilles thay đổi rất ít, trái ngược với những gì nhóm nhà nghiên cứu mong đợi. Schmitz cho biết những kết quả khác nhau này có thể một phần là do sự khác biệt giữa các cá nhân, vì mọi người phản ứng khác nhau với sự hỗ trợ được áp dụng.

Schmitz bình luận: “Những người khác nhau sẽ phản ứng với exosuit theo những cách khác nhau, vì vậy chúng tôi không thể cho rằng có một bộ điều khiển exosuit một kích cỡ phù hợp với tất cả mọi người sẽ hoạt động. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thực hiện các phép đo trực tiếp lực cơ và gân nhằm đảm bảo bộ đồ ngoài đang gây ra những thay đổi cơ sinh học dự kiến. Máy đo độ căng của chúng tôi cho phép thực hiện các phép đo in vivo này và nó có thể được sử dụng như một công cụ mạnh mẽ điều chỉnh hoạt động của bộ điều khiển bộ đồ ngoài hiệu quả cho người dùng cá nhân trong những môi trường khác nhau”.

Exosuit giúp người mặc lấy lại thăng bằng

Max Shepherd, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Georgia Tech trong quá trình nghiên cứu và hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Northeastern (Mỹ), cho biết: “Tôi nghĩ đó là một kết quả rất thú vị”. Nhóm nghiên cứu sử dụng một đôi ủng khung xương ngoài đến mắt cá chân có bán trên thị trường để nghiên cứu. Những người tham gia mang bộ ủng ngoài (exo-boot) và đứng trên bục tùy chỉnh trong Phòng thí nghiệm cơ học thần kinh của Lena Ting tại Đại học Emory. Nhóm nhà nghiên cứu bắt đầu thay đổi nền tảng một cách đột ngột - cái mà họ gọi là nhiễu loạn - khiến các đối tượng mất thăng bằng và phục hồi.

Nhóm nghiên cứu thử nghiệm 3 điều kiện: không hỗ trợ bộ xương ngoài, hỗ trợ bị trì hoãn trùng với phản ứng tự nhiên của cơ thể và hỗ trợ nhanh hơn phản ứng sinh lý. Lena Ting, giáo sư và Chủ tịch Quỹ McCamish tại Khoa Kỹ thuật Y sinh Wallace H. Coulter tại Georgia Tech, đánh giá: “Rất nhiều bộ phận giả hoặc bộ xương ngoài được điều khiển bởi các tín hiệu sinh lý đến từ người đeo, hoạt động cơ bắp hoặc hoạt động não bộ của họ”.

Việc không thể đơn giản theo dõi phản ứng của cơ thể để kích hoạt bộ xương ngoài khiến việc tạo ra một thiết bị có thể giúp mọi người lấy lại thăng bằng trong những tình huống thực tế trở nên khó khăn hơn. Nhưng nó cũng mở ra những con đường thú vị để nhóm nhà nghiên cứu theo đuổi - bao gồm sử dụng các phương pháp học máy để phát hiện và ứng phó với nhiễu loạn. Chỉ mất 150 mili giây hoặc lâu hơn cho cơ thể phản ứng với việc mất thăng bằng, vì vậy bộ xương ngoài ở mắt cá chân có một cửa sổ cực nhỏ để kích hoạt nếu chúng đánh bại phản ứng sinh lý.

Trong loạt thí nghiệm của mình, nhóm đã sử dụng gia tốc kế tương tự như gia tốc kế trong điện thoại thông minh để theo dõi gia tốc của bàn chân trong quá trình nhiễu loạn và kích hoạt exo-boot (bộ ủng mang ngoài). Cuối cùng, một bộ điều khiển thông minh hơn được tích hợp một số hình thức học máy có thể hứa hẹn. Nhưng thật thú vị, dữ liệu để cung cấp cho các thuật toán đó có thể sẽ cần phải đến từ xa hơn là mắt cá chân.

Nhóm nhà nghiên cứu báo cáo sự hỗ trợ nhanh giả tạo từ bộ xương ngoài đã làm gián đoạn chuyển động ban đầu của mắt cá chân, mặc dù hoạt động của cơ vẫn nhất quán cho dù ủng có kích hoạt hay không. Trên thực tế, tín hiệu cục bộ ở mắt cá chân sẽ khiến bộ xương ngoài cung cấp mô-men xoắn sai hướng, điều này sẽ gây mất ổn định hơn. Nhóm nghiên cứu cho biết điều đó ủng hộ quan điểm cho rằng các cơ được điều khiển không chỉ bởi thông tin cảm giác cục bộ ở mắt cá chân mà còn bởi thông tin từ khắp cơ thể.

Giáo sư Lena Ting bình luận: “Ý tưởng là trọng tâm của bạn, về cơ bản là chuyển động của toàn bộ cơ thể, điều khiển những gì cơ mắt cá chân cần làm. Điều tôi thích ở những phát hiện của chúng tôi là exo này hiện có khả năng là một thiết bị thử nghiệm cho phòng thí nghiệm của chúng tôi để thực sự chứng minh nên sử dụng tín hiệu nào khi một địa phương xung đột tín hiệu với tín hiệu toàn cầu”.

Shepherd phát biểu: “Một điều thực sự đặc biệt là chúng tôi có thể đặt câu hỏi rất cụ thể về sự tương tác giữa bộ xương ngoài và con người, và hiểu thêm một chút về cách bộ xương ngoài giúp hoặc phá vỡ những phản ứng sinh lý của con người. Nghiên cứu là một cách rất rõ ràng để cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc cải thiện sự cân bằng”. Để hoàn thiện hiểu biết, nhóm nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ ghi lại chuyển động và kết nối những người tham gia bằng máy ghi điện cơ (EMG) và cảm biến siêu âm để họ có thể theo dõi chi tiết không chỉ cách mắt cá chân và exo-boot hoạt động cùng nhau - hoặc chống lại nhau - mà còn cả cách cơ bắp hoạt động mạnh mẽ như thế nào.

Sawicki giải thích: “Điều này không chỉ đơn thuần là hỗ trợ con người bằng sức mạnh của robot và xem điều gì sẽ xảy ra. Chúng tôi cũng cố gắng giải thích tại sao và điều gì xảy ra dưới da. Đó là một con đường quan trọng phía trước cho thiết kế kỹ thuật”.