Un equipo de investigadores del MIT Media Lab ha ideado un algoritmo que promete mejorar enormemente el seguimiento simultáneo de cualquier número de imanes. Esto tiene implicaciones importantes para las prótesis, realidad aumentada, robótica, y otros campos.

Estudiante de posgrado Cameron Taylor, investigador principal del enfoque en el grupo de Biomecatrónica del Media Lab, dice que el algoritmo reduce drásticamente el tiempo que tardan los sensores en determinar las posiciones y orientaciones de los imanes incrustados en el cuerpo, madera, cerámica, y otros materiales.

"Llevo años soñando con un enfoque mínimamente invasivo para controlar las prótesis, y los imanes ofrecen ese potencial, "dice Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios en el MIT y director del grupo de Biomecatrónica. "Pero las técnicas anteriores eran demasiado lentas para rastrear el movimiento del tejido en tiempo real con un ancho de banda elevado".

La obra, "Seguimiento de baja latencia de varios imanes permanentes, "ha sido publicado por Diario de sensores IEEE . La estudiante universitaria del MIT, Haley Abramson, también es coautora.

Seguimiento en tiempo real

Durante años, las prótesis se han basado en la electromiografía para interpretar los mensajes del sistema nervioso periférico de un usuario. Los electrodos adheridos a la piel adyacente a los músculos miden los impulsos emitidos por el cerebro para activarlos.

Es un sistema menos que perfecto. La capacidad de los electrodos para detectar señales que cambian con el tiempo. así como para estimar la longitud y velocidad del movimiento muscular, está limitado, y llevar los dispositivos puede resultar incómodo.

Los científicos han intentado durante mucho tiempo encontrar una forma de usar imanes, que se puede incrustar en el cuerpo de forma indefinida, para controlar la robótica de alta velocidad. Pero siguieron encontrándose con un gran obstáculo:las computadoras tardaron demasiado en determinar con precisión dónde estaban los imanes e iniciar una reacción.

"El software necesita adivinar dónde están los imanes, y en que orientación, ", Dijo Taylor." Comprueba qué tan buena es su conjetura dado el campo magnético que ve, y cuando esta mal adivina una y otra vez hasta que localiza la ubicación ".

Ese proceso, que Taylor compara con un juego de Hot and Cold, requiere mucho cálculo, que retrasa el movimiento. "Los sistemas de control robótico requieren velocidades muy altas en términos de reactividad, "Dice Herr." Si el tiempo entre la detección y la activación por una plataforma de ingeniería es demasiado largo, puede producirse inestabilidad del dispositivo ".

Para disminuir el retardo de tiempo en el seguimiento del imán, una computadora necesitaría identificar rápidamente qué dirección era "más cálida" antes de adivinar la ubicación de un imán. Taylor estaba tirado en el suelo en su casa un día reflexionando sobre este problema cuando se le ocurrió que la dirección "más cálida" podía calcularse muy rápidamente utilizando técnicas sencillas de codificación por computadora.

"Supe de inmediato que era posible, lo cual fue extremadamente emocionante. Pero aún tenía que validarlo " él dice.

Una vez validado, Taylor y los miembros de su equipo de investigación tuvieron que resolver otro problema que complica el seguimiento de los imanes:la perturbación del campo magnético de la Tierra. Los métodos tradicionales para eliminar esa interferencia no eran prácticos para el tipo de compacto, sistema móvil necesario para prótesis y exoesqueletos.

El equipo encontró una solución elegante al programar su software de computadora para buscar el campo magnético de la Tierra como si fuera simplemente otra señal magnética.

Luego probaron su algoritmo usando un sistema con una serie de magnetómetros que rastrean hasta cuatro pequeños, imanes de perlas. La prueba demostró que, en comparación con los sistemas de seguimiento de imanes de última generación, el nuevo algoritmo aumentó los anchos de banda máximos en un 336 por ciento, 525 por ciento, 635 por ciento, y 773 por ciento cuando se usa para rastrear simultáneamente uno, dos, Tres, y cuatro imanes respectivamente.

Taylor enfatizó que un puñado de otros investigadores han utilizado el mismo enfoque derivado para rastrear, pero no demostró el seguimiento de múltiples imanes en movimiento en tiempo real. "Esta es la primera vez que un equipo ha demostrado esta técnica para el seguimiento en tiempo real de varios imanes permanentes a la vez, " él dice.

Y tal rastreo nunca se ha implementado en el pasado como un medio para acelerar el rastreo magnético. "Todas las implementaciones en el pasado han utilizado lenguajes informáticos de alto nivel sin las técnicas que usamos para mejorar la velocidad, "Dice Taylor.

El nuevo algoritmo significa, según Taylor y Herr, que el seguimiento de objetivos magnéticos se puede extender a alta velocidad, aplicaciones en tiempo real que requieren el seguimiento de uno o más objetivos, eliminando la necesidad de una matriz de magnetómetro fijo. El software habilitado con el nuevo algoritmo podría mejorar en gran medida el control reflexivo de prótesis y exoesqueletos, simplificar la levitación magnética, y mejorar la interacción con dispositivos de realidad virtual y aumentada.

"Existe todo tipo de tecnología para implantar en el sistema nervioso o los músculos para controlar la mecatrónica, pero por lo general hay un cable a través del límite de la piel o componentes electrónicos incrustados dentro del cuerpo para realizar la transmisión, "Dice Herr." La belleza de este enfoque es que estás inyectando pequeñas perlas magnéticas pasivas en el cuerpo, y toda la tecnología se queda fuera del cuerpo ".

Numerosas aplicaciones

El grupo de Biomecatrónica está principalmente interesado en utilizar sus nuevos hallazgos para mejorar el control de las prótesis, pero Hisham Bedri, un graduado del Media Lab que trabaja en realidad aumentada, dice que las aplicaciones potenciales de los avances son enormes en el mercado de consumo. "Si quisieras adentrarte en el mundo de la realidad virtual y, decir, patear una pelota, esto es muy útil para algo así, Bedri dice:"Esto acerca ese futuro a una realidad".

Las personas ya se están inyectando pequeños imanes con la esperanza de usarlos para mejorar el rendimiento natural del cuerpo. y esto plantea una pregunta interesante sobre políticas públicas, Herr dice. "Cuando la gente 'normal' quiere que le implanten imanes para mejorar la función corporal, ¿Cómo pensamos en eso? ", dice." No es un dispositivo médico o una aplicación, entonces, ¿bajo qué organismo regulador permitiremos que Joe y Suzy hagan eso? Necesitamos una discusión política vigorosa en torno a esta cuestión ".

El grupo ha solicitado una patente sobre su algoritmo y su método para usar imanes para rastrear el movimiento muscular. También está trabajando con la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. En la orientación para la transición de alta velocidad, seguimiento magnético de ancho de banda amplio en el ámbito clínico.

Ahora los investigadores se están preparando para hacer un trabajo preclínico para validar que esta técnica funcionará para rastrear tejidos humanos y controlar prótesis y exoesqueletos. "Creo que es posible que comencemos las pruebas en humanos el próximo año, Herr dice:"Esto no es algo que haya pasado 10 años en absoluto".

¿Más allá de eso? "Nuestra visión a largo plazo para el futuro es que inyectemos estos imanes en usted y en mí y los usemos para operar un traje de Iron Man no militante; todos caminarían con la fuerza de un superhéroe, "Taylor dice, sólo la mitad en broma. "Seriamente, aunque, Creo que esta es la pieza que falta para permitirnos finalmente tomar el seguimiento magnético y moverlo a un lugar donde se pueda usar mucho más ampliamente ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.