Περίληψη άρθρου:
Ερευνητές από το Florida Atlantic University ανέπτυξαν ένα ρομποτικό γάντι που μπορεί να βοηθήσει ασθενείς με εγκεφαλικό επεισόδιο να μάθουν ξανά πιάνο. Ο μαλακός εξωσκελετός χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη, αισθητήρες αφής και μαλακούς ενεργοποιητές για να βελτιώσει την επιδεξιότητα του χεριού και να παρέχει υποστήριξη σε άτομα που επανεκπαιδεύουν τις κινητικές τους ικανότητες. Το γάντι μπορεί να "αισθάνεται" τη διαφορά μεταξύ της σωστής και της λανθασμένης εκδοχής ενός τραγουδιού και να παρέχει ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο στους χρήστες. Ο σχεδιασμός του γαντιού είναι ευέλικτος και προσαρμόσιμος, καθιστώντας το κατάλληλο για διάφορες καθημερινές εργασίες και προγράμματα αποκατάστασης. Η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να βοηθήσει τα άτομα με νευρομυϊκές διαταραχές να ανακτήσουν τη λειτουργικότητα των άκρων τους.

Κύρια σημεία του άρθρου:

• Ένα ρομποτικό γάντι αναπτύχθηκε για να βοηθήσει τους επιζώντες από εγκεφαλικό επεισόδιο να ανακτήσουν την επιδεξιότητα του χεριού τους και να μάθουν ξανά να παίζουν πιάνο.
• Χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη, αισθητήρες αφής, μαλακούς ενεργοποιητές και εύκαμπτα υλικά για να παρέχει ήπια υποστήριξη και βοήθεια.
• Το γάντι προσφέρει ανατροφοδότηση και προσαρμογές σε πραγματικό χρόνο, διευκολύνοντας τους χρήστες να κατανοήσουν τις σωστές τεχνικές κίνησης.
• Το ρομποτικό γάντι δοκιμάστηκε στο τραγούδι "Mary Had a Little Lamb" και μπόρεσε να ταξινομήσει με ακρίβεια τις σωστές και λανθασμένες εκδοχές του τραγουδιού με και χωρίς ανθρώπινο υποκείμενο.
• Η τεχνολογία θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε άλλες εργασίες της καθημερινής ζωής και σε προσαρμοσμένα προγράμματα αποκατάστασης για ασθενείς με νευρομυϊκές διαταραχές ή μειωμένη λειτουργικότητα των άκρων.

Αναλυτικά το άρθρο:
Για τα άτομα που έχουν υποστεί νευροτραυματισμό, όπως εγκεφαλικό επεισόδιο, οι καθημερινές εργασίες μπορεί να είναι εξαιρετικά δύσκολες λόγω του μειωμένου συντονισμού και της δύναμης στο ένα ή και στα δύο άνω άκρα. Τα προβλήματα αυτά έχουν ωθήσει στην ανάπτυξη ρομποτικών συσκευών που βοηθούν στην ενίσχυση των ικανοτήτων τους. Ωστόσο, ο άκαμπτος χαρακτήρας αυτών των βοηθητικών συσκευών μπορεί να είναι προβληματικός, ιδίως για πιο σύνθετες εργασίες όπως το παίξιμο ενός μουσικού οργάνου.

Ένα πρώτο στο είδος του ρομποτικό γάντι προσφέρει ένα "χέρι βοηθείας" και ελπίδα σε πιανίστες που έχουν υποστεί εγκεφαλικό επεισόδιο που τους καθιστά ανίκανους να παίξουν πιάνο. Αναπτυγμένο από ερευνητές του Κολλεγίου Μηχανικής και Επιστήμης Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Florida Atlantic, ο μαλακός ρομποτικός εξωσκελετός χεριού χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη για να βελτιώσει την επιδεξιότητα του χεριού.

Συνδυάζοντας εύκαμπτους αισθητήρες αφής, μαλακούς ενεργοποιητές και τεχνητή νοημοσύνη, αυτό το ρομποτικό γάντι είναι το πρώτο που "αισθάνεται" τη διαφορά μεταξύ σωστής και λανθασμένης εκδοχής του ίδιου τραγουδιού και συνδυάζει αυτά τα χαρακτηριστικά σε έναν ενιαίο εξωσκελετό χεριού.

"Το παίξιμο του πιάνου απαιτεί πολύπλοκες και ιδιαίτερα εξειδικευμένες κινήσεις και η εκμάθηση των καθηκόντων περιλαμβάνει την αποκατάσταση και επανεκπαίδευση συγκεκριμένων κινήσεων ή δεξιοτήτων", δήλωσε ο Erik Engeberg, Ph.D., κύριος συγγραφέας, καθηγητής στο Τμήμα Ωκεανολογίας και Μηχανολογίας του FAU στο Κολέγιο Μηχανικής και Επιστήμης Υπολογιστών και μέλος του Κέντρου Πολύπλοκων Συστημάτων και Επιστημών του Εγκεφάλου του FAU και του Ινστιτούτου Εγκεφάλου Stiles-Nicholson του FAU. "Το ρομποτικό μας γάντι αποτελείται από μαλακά, εύκαμπτα υλικά και αισθητήρες που παρέχουν ήπια υποστήριξη και βοήθεια στα άτομα για να ξαναμάθουν και να ανακτήσουν τις κινητικές τους ικανότητες".

Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν ειδικές συστοιχίες αισθητήρων σε κάθε άκρο δακτύλου του ρομποτικού γαντιού. Σε αντίθεση με προηγούμενους εξωσκελετούς, αυτή η νέα τεχνολογία παρέχει ακριβή δύναμη και καθοδήγηση στην ανάκτηση των λεπτών κινήσεων των δακτύλων που απαιτούνται για το παίξιμο πιάνου. Παρακολουθώντας και ανταποκρινόμενο στις κινήσεις των χρηστών, το ρομποτικό γάντι προσφέρει ανατροφοδότηση και προσαρμογές σε πραγματικό χρόνο, διευκολύνοντας τους χρήστες να κατανοήσουν τις σωστές τεχνικές κίνησης.

Για να επιδείξουν τις δυνατότητες του ρομποτικού γαντιού, οι ερευνητές το προγραμμάτισαν να αισθάνεται τη διαφορά μεταξύ της σωστής και της λανθασμένης εκδοχής του γνωστού τραγουδιού "Mary Had a Little Lamb", που παίζεται στο πιάνο. Για να εισαγάγουν διαφοροποιήσεις στην εκτέλεση, δημιούργησαν μια ομάδα 12 διαφορετικών τύπων σφαλμάτων που θα μπορούσαν να εμφανιστούν στην αρχή ή στο τέλος μιας νότας ή να οφείλονται σε σφάλματα χρονισμού που ήταν είτε πρόωρα είτε καθυστερημένα και που διαρκούσαν για 0,1, 0,2 ή 0,3 δευτερόλεπτα. Δέκα διαφορετικές παραλλαγές τραγουδιών αποτελούνταν από τρεις ομάδες των τριών παραλλαγών η καθεμία, καθώς και το σωστό τραγούδι που παιζόταν χωρίς λάθη.

Για την ταξινόμηση των παραλλαγών των τραγουδιών, οι αλγόριθμοι Random Forest (RF), K-Nearest Neighbor (KNN) και Artificial Neural Network (ANN) εκπαιδεύτηκαν με δεδομένα από τους αισθητήρες αφής στις άκρες των δακτύλων. Η αίσθηση των διαφορών μεταξύ σωστών και λανθασμένων εκδοχών του τραγουδιού έγινε με το ρομποτικό γάντι ανεξάρτητα και ενώ το φορούσε ένα άτομο. Η ακρίβεια αυτών των αλγορίθμων συγκρίθηκε για την ταξινόμηση των σωστών και λανθασμένων παραλλαγών του τραγουδιού με και χωρίς το ανθρώπινο υποκείμενο.

Τα αποτελέσματα της μελέτης, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Frontiers in Robotics and AI, έδειξαν ότι ο αλγόριθμος ANN είχε την υψηλότερη ακρίβεια ταξινόμησης 97,13% με το ανθρώπινο υποκείμενο και 94,60% χωρίς το ανθρώπινο υποκείμενο. Ο αλγόριθμος προσδιόρισε με επιτυχία το ποσοστό σφάλματος ενός συγκεκριμένου τραγουδιού, καθώς και εντόπισε τα πατήματα πλήκτρων που ήταν εκτός χρόνου. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν τη δυνατότητα του έξυπνου ρομποτικού γαντιού να βοηθήσει άτομα με αναπηρία να ξαναμάθουν επιδέξιες εργασίες όπως το παίξιμο μουσικών οργάνων.

Οι ερευνητές σχεδίασαν το ρομποτικό γάντι χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα εκτυπωμένα στελέχη πολυβινυλικού οξέος και χύτευση υδρογέλης για να ενσωματώσουν πέντε ενεργοποιητές σε μια ενιαία φορητή συσκευή που προσαρμόζεται στο χέρι του χρήστη. Η διαδικασία κατασκευής είναι νέα και ο παράγοντας μορφής θα μπορούσε να προσαρμοστεί στη μοναδική ανατομία του κάθε ασθενούς με τη χρήση τεχνολογίας τρισδιάστατης σάρωσης ή αξονικής τομογραφίας.

"Ο σχεδιασμός μας είναι σημαντικά απλούστερος από τους περισσότερους σχεδιασμούς, καθώς όλοι οι ενεργοποιητές και οι αισθητήρες συνδυάζονται σε μια ενιαία διαδικασία μορφοποίησης", δήλωσε ο Engeberg. "Είναι σημαντικό ότι, αν και η εφαρμογή αυτής της μελέτης ήταν για την αναπαραγωγή ενός τραγουδιού, η προσέγγιση θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε μυριάδες εργασίες της καθημερινής ζωής και η συσκευή θα μπορούσε να διευκολύνει περίπλοκα προγράμματα αποκατάστασης προσαρμοσμένα για κάθε ασθενή".

Οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα για να αναπτύξουν εξατομικευμένα σχέδια δράσης για να εντοπίσουν τις αδυναμίες των ασθενών, οι οποίες μπορεί να παρουσιάζονται ως τμήματα του τραγουδιού που παίζονται συστηματικά λανθασμένα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσδιοριστούν ποιες κινητικές λειτουργίες χρειάζονται βελτίωση. Καθώς οι ασθενείς εξελίσσονται, η ομάδα αποκατάστασης θα μπορούσε να ορίζει πιο απαιτητικά τραγούδια σε μια εξέλιξη που μοιάζει με παιχνίδι, ώστε να παρέχεται μια προσαρμόσιμη πορεία προς τη βελτίωση.

"Η τεχνολογία που αναπτύχθηκε από τον καθηγητή Engeberg και την ερευνητική ομάδα είναι πραγματικά μια αλλαγή για τα άτομα με νευρομυϊκές διαταραχές και μειωμένη λειτουργικότητα των άκρων", δήλωσε η Stella Batalama, Ph.D., κοσμήτορας του FAU College of Engineering and Computer Science. "Αν και έχουν χρησιμοποιηθεί και άλλοι μαλακοί ρομποτικοί ενεργοποιητές για να παίξουν πιάνο- το ρομποτικό μας γάντι είναι το μόνο που έχει αποδείξει την ικανότητα να "αισθάνεται" τη διαφορά μεταξύ της σωστής και της λανθασμένης εκδοχής του ίδιου τραγουδιού".

Συγγραφείς της μελέτης είναι ο Maohua Lin, πρώτος συγγραφέας και διδακτορικός φοιτητής, ο Rudy Paul, μεταπτυχιακός φοιτητής και ο Moaed Abd, διδακτορικός φοιτητής, πρόσφατος απόφοιτος, όλοι από το Κολέγιο Μηχανικής και Επιστήμης Υπολογιστών του FAU, ο James Jones, Πανεπιστήμιο Boise State, ο Darryl Dieujuste, μεταπτυχιακός βοηθός έρευνας, Κολέγιο Μηχανικής και Επιστήμης Υπολογιστών του FAU και ο Harvey Chim, MD, καθηγητής στο Τμήμα Πλαστικής και Επανορθωτικής Χειρουργικής του Πανεπιστημίου της Φλόριντα.

Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Βιοϊατρικής Απεικόνισης και Βιομηχανικής των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας (NIH), το Εθνικό Ινστιτούτο Γήρανσης του NIH και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε εν μέρει από μια επιχορήγηση σποράς από το Κολέγιο Μηχανικής και Επιστήμης Υπολογιστών του FAU και το Ινστιτούτο Αισθητήρων και Ενσωματωμένων Δικτυακών Συστημάτων Μηχανικής του FAU (I-SENSE).

Πηγή: Robotic glove that 'feels' lends a 'hand' to relearn playing piano after a stroke