Fizjoterapeuci w specjalnych rękawicach uczą robota pracy z pacjentami po udarze. Maszyna ma zapamiętać styl konkretnej osoby.
Typowy robot rehabilitacyjny potrafi wielokrotnie prowadzić kończynę pacjenta po zaprogramowanym wcześniej torze. Taka powtarzalność jest oczywiście cenna, szczególnie podczas mozolnego odzyskiwania sprawności po udarze, ale wtedy, gdy pacjent jednego dnia wykonuje większą część ruchu samodzielnie, a następnego potrzebuje znacznie mocniejszego wsparcia, jest bez sensu.
Człowiek wyczuwa taką różnicę niemalże automatycznie. Fizjoterapeuta w mig zauważa, kiedy mięśnie się napinają, ręka zaczyna drżeć albo pacjent próbuje ominąć osłabiony staw, pomagając sobie całym tułowiem. Nie musi wcześniej wybierać odpowiedniego poziomu siły w menu urządzenia. Reaguje po prostu w czasie rzeczywistym.
Nowy system opracowany przez MIT ma natomiast nauczyć robota podobnej elastyczności. Maszyna obserwuje ruch, mierzy działające siły i na bieżąco dostosowuje własną sztywność. o ile pacjent zaczyna aktywnie unosić ramię, robot powinien się wycofać i pozwolić mu wykonać większą część pracy. Gdy ręka traci stabilność albo zatrzymuje się, może zwiększyć wsparcie.
Nie chodzi przy tym o całkowicie miękkie ramię, które daje się swobodnie przesuwać. Robot musi pozostać wystarczająco sztywny w kierunku wymaganym przez ćwiczenie, a jednocześnie ustępować tam, gdzie pojawia się bezpieczny ruch pacjenta. To właśnie tę trudną równowagę zwykle zapewniają dłonie terapeuty.
Fizjoterapeuta założy rękawice i pokaże robotowi, co robi
Nowy system nie dostaje po prostu zestawu ogólnych poleceń opracowanych przez programistę. Ma uczyć się bezpośrednio podczas terapii prowadzonej przez człowieka. W ośrodku rehabilitacyjnym w Monachium trwa właśnie zbieranie danych z prawdziwych sesji. Fizjoterapeuci i terapeuci zajęciowi zakładają rękawice mierzące siłę, a kamery rejestrują ich ruchy podczas pracy z pacjentami. Zapisywany jest więc nie tylko układ dłoni i ramion, ale także sposób, w jaki terapeuta dotyka ciała, podtrzymuje kończynę, reaguje na opór i zmienia nacisk w trakcie ćwiczenia.
Głównym celem jest przygotowanie modeli odtwarzających styl konkretnych terapeutów. To bardzo istotne, ponieważ rehabilitacja nie jest jednym uniwersalnym zestawem ruchów. Dwóch specjalistów może wykonać podobne ćwiczenie nieco inaczej, a każdy z nich dostosuje je również do możliwości danego pacjenta. Robot ma właśnie tę zależność zapamiętać. Nie tylko ruch fizjoterapeuty, ale także odpowiedź na zachowanie człowieka znajdującego się po drugiej stronie mechanicznego ramienia.
Pierwszy prototyp sprawdzano wcześniej z udziałem zdrowych osób. Wykonywały ruchy spotykane podczas rehabilitacji kończyny górnej, m.in. unoszenie ramienia i sięganie poza jego naturalną płaszczyznę. Uczestnicy celowo zmieniali poziom zaangażowania, aby system nauczył się odróżniać osobę aktywnie wykonującą ćwiczenie od tej, która potrzebuje większej pomocy.
Model uczy się nie tylko ruchu, ale także oporu
Sercem rozwiązania jest tzw. model dyfuzyjny. To rodzaj generatywnego systemu, który podczas treningu uczy się rekonstruować prawidłowy przebieg działania z danych częściowo zaburzonych albo niepełnych. W tym przypadku nie tworzy one jednak obrazu ani tekstu. Przewiduje sposób, w jaki robot powinien poruszać się i reagować podczas fizycznego kontaktu.
Do modelu trafiają informacje o położeniu ramienia, kierunku ruchu oraz siłach działających na robota. Na tej podstawie system odtwarza tzw. trajektorię zerowej siły. W uproszczeniu jest to pozycja, do której mechaniczne ramię zmierzałoby, gdyby nic go nie dotykało i nie stawiało oporu.
Porównanie tej trajektorii z rzeczywistym zachowaniem pacjenta pozwala dokładnie ocenić, gdzie robot powinien pozostać sztywny, a gdzie może ustąpić. Sterowanie impedancyjne, bo tak nazywa się ta metoda, nie każe maszynie bezwzględnie osiągnąć określonego punktu. Kontroluje raczej relację między ruchem a siłą, podobnie jak człowiek napinający lub rozluźniający mięśnie ręki.
To główna różnica między odtwarzaniem nagranej choreografii a reagowaniem na ciało pacjenta. Robot nie ma prowadzić każdej osoby dokładnie tak samo. Powinien zmieniać zachowanie zależnie od napotkanego oporu i wysiłku wkładanego w ćwiczenie.
W zadaniach testowych sama technologia została sprawdzona również poza rehabilitacją. Robot musiał przeprowadzać końcówkę przez tor pełen przeszkód oraz umieszczać elementy o różnych kształtach w dopasowanych otworach. Klasyczne ustawienie ze stałą sztywnością zacinało się na przeszkodach lub nie radziło sobie z trudniejszymi kształtami. System adaptacyjny kończył wszystkie serie prób, mimo iż nie otrzymał osobnych demonstracji dla wszystkich elementu.
Pacjent nie może zostać biernym pasażerem robota
W rehabilitacji większa pomoc nie zawsze oznacza lepszą terapię. o ile maszyna wykona cały ruch za pacjenta, to ćwiczenie może stać się bezpieczne i powtarzalne, ale przestanie zmuszać osłabione mięśnie oraz układ nerwowy do pracy.
Robot powinien pomagać tylko tyle, ile jest to konieczne. Pacjent musi przede wszystkim pozostać zaangażowany, podejmować wysiłek i samodzielnie wykonywać możliwie dużą część zadania. Właśnie dlatego system ma na bieżąco oceniać aktywny udział człowieka.
Jak pisaliśmy w tekście: Ten robot pomaga w rehabilitacji. Nosi się go jak kamizelkę, podobny problem próbuje rozwiązać miękki egzoszkielet wspomagający ruch ręki dzięki pneumatycznych elementów. Czujniki rozpoznają zamiar użytkownika, a urządzenie włącza pomoc dopiero wtedy, gdy jest potrzebna.
Nowa konstrukcja nie jest ubraniem podtrzymującym kończynę podczas codziennych czynności. Ma odtwarzać fizyczną relację występującą między pacjentem a terapeutą podczas ćwiczeń. Dłuższe sesje mogłyby więc dzięki temu odbywać się bez ciągłego zaangażowania obu rąk specjalisty. Fizjoterapeuta mógłby nadzorować postęp, zmieniać plan terapii i reagować na problemy, podczas gdy robot wykonywałby powtarzalną, fizycznie obciążającą część pracy.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: MIT
