Mechanizm –według badaczy z Uniwersytetu Arizony, którzy swoje osiągnięcie opisali w „Journal of Neural Engineering" – to nie tylko nowy krok w konstrukcji robotów. Pozwoli także pomóc w leczeniu osób, które mają uszkodzony rdzeń kręgowy.
Łatwiej o ręce
Uczeni z Arizony odwzorowali naturalny sposób sterowania chodzeniem i wyposażyli nogi robota w sztuczne centrum kontroli oraz w czujniki, które m.in. informują o obciążeniu kończyn, gdy noga jest dociskana do podłoża. System informatyczny generuje rytmiczne sygnały, które kontrolują działanie „mięśni" – siłowniki poruszające kończynami.
– To intrygujące, że udało nam się stworzyć system stawiania kroków bez chybotania, który naśladuje ludzkie chodzenie, tylko z zastosowaniem prostego centrum sterowania i kontroli kończyn – powiedziała dr Theresa Klein, współautorka pracy w „Journal of Neural Engineering".
Konstruktorom łatwiej jest wyposażyć roboty w sprawne ręce niż nogi. Być może dlatego Robonaut2, robot wspomagający astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, dotychczas nie ma nóg, a jedynie korpus, ręce i głowę.
Prace konstruktorskie nad dwunożnym robotem trwają od wielu lat. Pewne sukcesy w tej dziedzinie odniosła amerykańska firma Boston Dynamics, która pracuje nad konstrukcją czworonożnych i dwunożnych maszyn dla wojska.
Impulsy na przemian
Naśladowanie działania układu nerwowego jest nowością, która pozwoli na znaczny postęp w konstrukcji robotów. Jak to działa?
Komórki nerwowe w odcinku lędźwiowym rdzenia kręgowego generują rytmiczne sygnały mięśniowe. Naukowcy nazywają ten mechanizm centralnym generatorem wzorca (ang. skrót CPG). Ośrodek ten wysyła, a następnie kontroluje sygnały, zbierając informacje z różnych części ciała zaangażowanych w chodzenie. Dzięki niemu ludzie mogą chodzić bez konieczności zastanawiania się nad każdym krokiem.
Krok dalej
Najprostszy centralny generator wzorca składa się tylko z dwóch neuronów, które działają w ten sposób, że impulsy wysyłane są na przemian, tworząc rytm. W przeciwną stronę płyną informacje, kiedy noga dotyka podłoża. Badacze z Uniwersytetu Arizony zauważyli, że tak właśnie niemowlęta zaczynają stawiać pierwsze kroki. Początkowo system sterowania jest bardzo prymitywny. Z czasem rozwija się w bardziej złożony.
– Zbudowanie prostego systemu sterowania pozwoli wyjaśnić, jak ludzie z urazami rdzenia kręgowego mogą odzyskać zdolność chodzenia. Właściwa stymulacja może doprowadzić do odtworzenia możliwości ruchowych w ciągu kilku miesięcy od urazu – uważa dr Klein.
„Ten robot reprezentuje kompletny fizyczny model systemu. Potwierdza przydatność tego typu poszukiwań do wyjaśniania procesów leżących u neuropsychologicznych podstaw chodzenia ludzi i zwierząt" – piszą badacze w artykule.
– To interesujące osiągnięcie – powiedział sieci BBC Matt Thornton, kierownik laboratorium analizy chodu w Royal National Orthopaedic Hospital.
–Poprzednie modele robotów kopiowały ludzkie ruchy: ten idzie dalej i naśladuje ludzkie mechanizmy kontroli poruszania się. To pozwala na nowe podejście do badań i zrozumienia związku między zaburzeniami systemu nerwowego a patologiami związanymi z poruszaniem się.
Analiza chodu wykonywana m.in. przez laboratorium dr. Thorntona polega na dokładnym mierzeniu ruchu bioder, kolan i stawów skokowych w trzech wymiarach, podczas gdy pacjenci spacerują na bieżni.
– Ten rodzaj analizy dostarcza nam szczegółowych informacji na temat stawów, kości i mięśni – mówi dr Thornton.
– Modelowanie z użyciem robota może pójść o krok dalej w łączeniu problemów z poruszaniem się z układem nerwowym, który faktycznie kontroluje ruch. Skutki dla pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego mogą być ekscytujące.
masz pytanie, wyślij e-mail do autora, k.urbanski@rp.pl
