Сочинение на тему Улучшение электрических протезов с помощью ИИ

Natural Motion. Естественное движение трудно освоить. Чтобы дать некоторую перспективу, трудоспособный человек имеет выгоду от того, что его тело и мозг работают в гармонии, чтобы производить плавные и естественные движения; однако это все еще занимает годы практики и тонкой настройки. Даже после «совершенствования» естественного движения человеческое тело постоянно совершенствуется и адаптируется к новым ситуациям. С другой стороны, человек с протезом, например, не обладает всеми преимуществами контроля своей конечности мозгом. В то время как некоторые протезы реагируют на электрические импульсы от мозга, разнообразие движений часто ограничивается набором заранее определенных действий, таких как захват или защемление. В дополнение к этому, у пользователя не было всей своей жизни до этого момента, чтобы практиковаться с этим конкретным протезом. Алгоритмы машинного обучения значительно сокращают время, необходимое для того, чтобы научиться правильно использовать новый протез, заставляя пользователя обучать его индивидуальной походке, скорости ходьбы, окружающей среде и так далее. Протез, использующий ИИ для изучения поведения своего пользователя, может значительно улучшить качество жизни человека с ампутированной конечностью, упрощая выполнение повседневных задач, таких как поворот дверных ручек или подъем по лестнице. Прогнозирование движений. Изучение того, как пользователь движется, важно для прогнозирования его следующих движений. Правильные прогнозы важны, потому что, если прогноз неверен, он может причинить вред пользователю. Например, если протез ноги ошибочно предсказывает, что он собирается подняться по лестнице, и начинает поднимать ногу выше, это может привести к потере равновесия и неожиданному падению пользователя. Поскольку пользователь полагается на протез для выполнения правильного действия, риск неправильного прогноза должен быть низким.

Много усилий направлено на исследование (Чжан) того, какие типы ошибочных прогнозов безопаснее и удобнее делать, а какие могут привести к серьезным травмам или серьезным неудобствам. В целом, исследования показывают, что для протезной ноги любая ошибка, сделанная, когда нога находится в воздухе, обычно безопасна и, в большинстве случаев, незначительно неудобна, в то время как ошибка, сделанная, когда нога несет нагрузку (вес тела), является часто опасный или в основном неудобный. Меньше усилий С предсказаниями ИИ и электрическими конечностями, люди с ампутированными конечностями будут использовать меньше усилий при выполнении простых или повторяющихся задач. Вместо того, чтобы раскачивать протез на теле, чтобы ходить, нога «идет сама», прикладывая силу к земле и сгибаясь в колене. Это значительно снижает нагрузку на ампутированную конечность и позволяет пользователю сосредоточиться на вещах, отличных от равновесия во время ходьбы. Лучший баланс. Балансирование на протезе ноги может быть сложной задачей, особенно для пожилых людей с ампутированными конечностями. Протез, использующий ИИ, чтобы помочь обнаружить изменения в распределении веса, может легче и надежнее балансировать без особого участия пользователя. Это помогает людям правильно и безопасно ходить по неровной поверхности, а также стоять без помощи балансировки. Хотя автоматическая балансировка полезна для всех, она особенно полезна для людей с более высоким риском падения, таких как люди с ослабленными мышцами на конце конечности, пожилые люди, те, кто путешествует в метро, ​​и туристы. Стоимость и доступность. Стоимость электрического протеза может составлять от 3000 до 50000 долларов. Для справки: Ossur Rheo Knee 3 стоит около 45 000 долларов без страховки. В США медицинская страховка покроет большую часть стоимости протеза, если это будет с медицинской точки зрения необходимо. Однако есть много способов сделать более дешевые протезы, использующие ИИ. Многие люди и компании начали 3D-печать протезов с приводом от тела с минимальными затратами. Совсем недавно Джозеф Сирош из Microsoft разработал протез, который подключается к облаку и использует компьютерное зрение для распознавания объектов и их правильного захвата (О’Рейли). Сирош утверждает, что этот протез без страховки стоит всего несколько сотен долларов. Многие из этих целей предпринимаются путем обучения алгоритмов машинного обучения с обучением с подкреплением в моделируемой среде. Лукаш Кидзиньски из Стэнфордского университета создал физиологическую модель человека с протезом ноги в симуляторе под названием OpenSim. Эта человеческая модель представляет собой скелетно-мышечную модель, означающую, что она имеет сокращающиеся мышцы и жесткие кости, которые имитируют различные нагрузки на ногу человека во время его движения. Это огромное улучшение типичной модели «палка», которая обычно используется при обучении ИИ ходить или бегать, в которой не хватает мышц и что приводит к ненормальной ходьбе или бегу. Включив протез в модель, ИИ может найти более подходящее решение для ходьбы и бега. Модель Кидзински доступна на сайте crowdAI как открытый исходный код. Она связана с задачей под названием «ИИ для протезирования», целью которой является создание ИИ, который быстрее всего адаптируется к изменениям скорости, направления и условий окружающей среды (Кидзиньский). Хотя обучение ИИ в симуляции не будет полностью соответствовать потребностям человека с ампутированной конечностью, оно создает хорошее начало для обучения ходьбе, бегу и лазанию без необходимости его физического обучения, и ИИ должно быть позволено продолжать изучать своего пользователя до совершенства. функциональность с течением времени. Протезы рук, которые видят и чувствуют

В робототехнике обычно используют компьютерное зрение, чтобы контролировать движения руки робота. Исследования уже проводились в «распознавании объектов, позиционировании рук, оценке захвата и управлении зрением» (Мартин). Эта концепция, однако, является новой для протезирования. Адаптировать это исследование к протезу не сложно, учитывая, что протез достаточно похож на руку робота. Команда студентов из разных университетов Флориды и Луизианы создала рабочий прототип руки, которая обнаруживает и захватывает объекты с помощью данных «глазного взгляда». По сути, пользователь будет смотреть на объект, рука распознает, что объект находится в пределах досягаемости, а затем рука будет двигаться и хватать объект, избегая любых препятствий. Их прототип был успешным, хотя он не готов к широкому использованию, так как пользователю необходимо надеть шлем для отслеживания глаз и подключить руку к внешнему компьютеру (Мартин).

Команда студентов Университета Ньюкасла усовершенствовала эту концепцию с помощью протезной руки, которая распознает различные объекты и соответствующим образом регулирует силу захвата и может точно предсказать силу, необходимую для захвата и удержания объекта, которого он никогда раньше не видел («Рука Что видит »).

Искусственные «чувствующие» руки должны быть имплантированы хирургическим путем. Это потому, что электроды должны быть расположены на как можно большем количестве нервных окончаний, чтобы иметь возможность стимулировать нервы и обеспечивать обратную связь с мозгом. Используя эти протезы с тактильной обратной связью, один человек, по имени Игорь Спетич, может извлечь вишни из своих стеблей с 93% успешностью, по сравнению с 43% успешностью, используя тот же протез с отключенной тактильной обратной связью. Значение ощущений осязания в протезах конечностей огромно, поскольку способность восстанавливать «одну из самых основных форм человеческого контакта» невероятно важна для пациентов с ампутированными конечностями. Когда исследователи в программе DARPA HAPTIX спрашивают пациентов с ампутированными конечностями, «повсеместно они говорят, что хотят держать руку любимого и действительно чувствовать это» (Тайлер). Проблемы для спортсменов. Специальные спортивные протезы, такие как беговые лопатки, популярны среди многих спортсменов с ампутированными конечностями. Использование этих протезов на соревнованиях является спорным, так как некоторые рассматривают протез как улучшение, в то время как другие рассматривают его как препятствие. Это ставит спортсменов с ампутированными конечностями в странную ситуацию, когда у них есть преимущество в спорте, а также инвалидность. После того, как Оскар Писториус из Южной Африки соревновался на Олимпийских играх с протезом с лезвием на каждой ноге, другому олимпийцу по имени Маркус Рем было отказано в разрешении участвовать в соревнованиях после того, как он не смог доказать, что его протез не дал ему преимущества. Это привело к исследованиям по этой теме, в результате которых был сделан вывод о том, что бегун, использующий протезы с лезвиями, будет использовать на 17% меньше энергии для бега, чем трудоспособный конкурент, а также на 21% меньше времени, чтобы разогнать ногу во время бега. Эти результаты привели к запрету на спортсменов-олимпийцев с такими типами протезов (Greenemeier). По мере того как электрические протезы с искусственным интеллектом становятся все более популярными, эффективными и легкими, многие спортсмены могут переключаться …