來自北卡羅來納州立大學(xué)，北卡羅來納大學(xué)和亞利桑那州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種智能系統(tǒng)，用于“調(diào)整”動力假肢膝蓋，使患者能夠在幾分鐘內(nèi)舒適地使用假肢裝置行走，而不是設(shè)備所需的時間。由訓(xùn)練有素的臨床醫(yī)生調(diào)整。該系統(tǒng)是第一個完全依靠強(qiáng)化學(xué)習(xí)來調(diào)整機(jī)器人假體的系統(tǒng)。

當(dāng)患者接收機(jī)器人假肢膝蓋時，需要調(diào)整該裝置以適應(yīng)該特定患者。新的調(diào)整系統(tǒng)調(diào)整12個不同的控制參數(shù)，在整個步態(tài)周期中解決假體動力學(xué)，例如關(guān)節(jié)僵硬。

通常，人類從業(yè)者與患者一起修改一些參數(shù)。這可能需要數(shù)小時。新系統(tǒng)依賴于計算機(jī)程序，該計算機(jī)程序利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)來修改所有12個參數(shù)。它允許患者使用動力假膝蓋在大約10分鐘內(nèi)在水平表面上行走。

“我們首先給患者提供一個帶有隨機(jī)選擇參數(shù)的動力假膝，”Helen Huang說，他是該工作論文的共同作者，也是北卡羅來納州和北卡羅來納大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合部的教授。“然后我們讓患者在受控制的情況下開始行走。

“通過設(shè)備中的一套傳感器收集設(shè)備上的數(shù)據(jù)和患者的步態(tài)，”Huang說。“計算機(jī)模型調(diào)整設(shè)備上的參數(shù)，并將患者的步態(tài)與正常步行步態(tài)的輪廓進(jìn)行實(shí)時比較。模型可以判斷哪些參數(shù)設(shè)置提高了性能，哪些設(shè)置會影響性能。使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)，計算模型可以快速確定允許患者正常行走的一組參數(shù)。現(xiàn)有的方法，依靠訓(xùn)練有素的臨床醫(yī)生，可能需要半天時間。“

雖然目前的工作是在受控的臨床環(huán)境中完成的，但目標(biāo)之一是開發(fā)系統(tǒng)的無線版本，這將允許用戶在真實(shí)環(huán)境中使用時繼續(xù)微調(diào)動力假體參數(shù)。

“這項(xiàng)工作是針對患者在水平面上行走的情況完成的，但原則上，我們還可以為樓梯上升或下降等情況開發(fā)強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器，”該論文的共同作者Jennie Si說。亞利桑那州立大學(xué)電氣，計算機(jī)和能源工程教授。

“我從動態(tài)系統(tǒng)控制的角度研究了強(qiáng)化學(xué)習(xí)，其中考慮了傳感器噪聲，環(huán)境干擾以及系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的要求，”Si說。“我認(rèn)識到學(xué)習(xí)實(shí)時控制同時受到人類用戶影響的假肢裝置的前所未有的挑戰(zhàn)。這是一個共同適應(yīng)問題，無法從傳統(tǒng)控制設(shè)計或當(dāng)前的控制設(shè)計中獲得現(xiàn)成的解決方案。最先進(jìn)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制機(jī)器人。我們很高興地發(fā)現(xiàn)，我們的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制算法確實(shí)學(xué)會了在這樣一個激動人心的應(yīng)用環(huán)境中使假肢裝置作為人體的一部分工作。“

黃說研究人員希望這個過程更有效率。“例如，我們認(rèn)為我們可以通過識別或多或少可能成功的參數(shù)組合來改進(jìn)流程，并訓(xùn)練模型首先關(guān)注最有希望的參數(shù)設(shè)置。”

研究人員指出，雖然這項(xiàng)工作很有希望，但在廣泛使用之前，需要解決許多問題。

“例如，本研究中的假體調(diào)整目標(biāo)是在行走時滿足規(guī)范的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動，”Huang說。“我們沒有考慮其他步態(tài)表現(xiàn)(例如步態(tài)對稱性)或用戶的偏好。另一個例子，我們的調(diào)整方法可用于微調(diào)診所和實(shí)??驗(yàn)室外的設(shè)備，使系統(tǒng)隨著時間的推移自適應(yīng)但是，我們需要確保實(shí)際使用的安全性，因?yàn)榭刂浦械腻e誤可能導(dǎo)致絆倒和摔倒。需要進(jìn)行額外的測試以顯示安全性。“

研究人員還指出，如果該系統(tǒng)確實(shí)有效且廣泛使用，則可能通過限制患者臨床訪問與從業(yè)者合作的需要來降低患者的成本