Eksoskjeletter med autopilot: The Future of Wearable Robotics

Automatisering gjør ting enklere. Det gjør også ting potensielt skumlere når du legger ditt velvære i hendene på teknologi som må foreta innspurte samtaler uten først å konsultere deg, brukeren. En selvkjørende bil, for eksempel, må kunne oppdage en trafikkork eller svingende syklist og reagere riktig. Hvis det kan gjøre dette effektivt, er det en game-changer for transport. Hvis det ikke kan, kan resultatene være dødelige.

Ved University of Waterloo, Canada, jobber forskere med nettopp dette problemet - bare brukt på feltet av bærbare robotdrakter. Disse draktene, som kan variere fra industrielle wearables som minner om Romvesener' Power Loader til hjelpemidler for personer med bevegelseshemninger som følge av alder eller fysiske funksjonshemminger, er allerede i bruk som forsterkende enheter for å hjelpe brukerne. Men de har vært helt manuelle i driften. Nå ønsker forskere å gi dem et eget sinn.

For det formål utvikler University of Waterloo-etterforskerne A.I. verktøy som datasyn som lar exosuits føle omgivelsene og justere seg bevegelser tilsvarende - for eksempel å kunne oppdage trapper og klatre dem automatisk eller på annen måte reagere på forskjellige gåmiljøer i virkeligheten tid. Skulle de ta det av, vil det for alltid endre nytten av disse hjelpemidlene. Å gjøre det er imidlertid ikke lett.

Den største utfordringen for robotiske eksoskjeletter

"Kontroll blir generelt sett på som en av de største utfordringene for å utvikle robotiske eksoskjeletter for virkelige applikasjoner," Brokoslaw Laschowski, en Ph.D. kandidat i universitetets Systems Design Engineering-avdeling, fortalte Digital Trends. "For å sikre sikker og robust drift bruker kommersielt tilgjengelige eksoskjeletter manuelle kontroller som joysticks eller mobile grensesnitt for å kommunisere brukerens bevegelsesmessige hensikt. Vi utvikler autonome kontrollsystemer for robotiske eksoskjeletter ved bruk av bærbare kameraer og kunstige intelligens, [for å lindre] den kognitive byrden forbundet med menneskelig kontroll og beslutningstaking."

Som en del av prosjektet måtte teamet utvikle et AI-drevet miljøklassifiseringssystem, kalt ExoNet database, som den hevder er det største åpen kildekodebildedatasettet av menneskelige gåmiljøer noensinne. Dette ble samlet inn ved at folk hadde på seg et montert kamera på brystet og gikk rundt i lokale miljøer mens de registrerte bevegelser og bevegelser. Det ble deretter brukt til å trene nevrale nettverk.

"Vårt miljøklassifiseringssystem bruker dyp læring," fortsatte Laschowski. "Men høyytelses dyplæringsalgoritmer har en tendens til å være ganske beregningsmessig dyre, noe som er problematisk for robotiske eksoskjeletter med begrensede driftsressurser. Derfor bruker vi effektive konvolusjonelle nevrale nettverk med minimale krav til beregnings- og minnelagring for miljøklassifiseringen. Disse dyplæringsalgoritmene kan også automatisk og effektivt lære optimale bildefunksjoner direkte fra treningsdata, i stedet for å bruke håndkonstruerte funksjoner som tradisjonelt gjøres."

John McPhee, professor i systemdesignteknikk ved University of Waterloo, fortalte Digital Trends: "I hovedsak erstatter vi manuelle kontroller - [som] stopp, start, løft etappe for trinn - med en automatisert løsning. En analogi er en automatisk drivlinje i en bil, som erstatter manuell giring. I dag kjører de fleste automatikk fordi det er mer effektivt, og brukeren kan fokusere mer på omgivelsene i stedet for å betjene clutchen og spaken. På lignende måte vil en automatisert høynivåkontroller for en exo åpne for nye muligheter for brukeren [i form av] større miljøbevissthet."

Som med en selvkjørende bil, bemerker forskerne at den menneskelige brukeren vil ha muligheten til å overstyre det automatiserte kontrollsystemet hvis behovet oppstår. Selv om det fortsatt vil kreve litt tro å, for eksempel, stole på at exosuiten din vil oppdage en flytur av går ned trapper før han lanserer dem, kan brukeren ta kontroll i scenarier der det er nødvendig.

Forbereder fortsatt på beste sendetid

Akkurat nå er prosjektet under arbeid. "Vi fokuserer for tiden på å optimalisere vårt A.I.-drevne miljøklassifiseringssystem, spesifikt å forbedre klassifiseringsnøyaktigheten og sanntidsytelsen," sa Laschowski. "Denne tekniske utviklingen er avgjørende for å sikre sikker og robust drift for fremtidig klinisk testing ved bruk av robotiske eksoskjeletter med autonom kontroll."

Skulle alt gå etter planen, vil det imidlertid forhåpentligvis ikke ta for lang tid før slike algoritmer kan distribueres i kommersielt tilgjengelige exosuits. De blir allerede mer utbredt, takket være innovative selskaper som Sarcos Robotics, og blir brukt i stadig mer varierte omgivelser. De er også i stand til å i stor grad forbedre menneskelige evner utover det brukeren ville være i stand til når han ikke hadde på seg drakten.

På noen måter minner det sterkt om den opprinnelige oppfatningen av cyborgen, ikke som en marerittaktig Darth Vader eller RoboCop sammenslåing av halvt menneske og halvt maskin, men som forskerne Manfred Clynes og Nathan Kline skrev på 1960-tallet, som "et organisasjonssystem der... robotlignende problemer [blir] tatt hånd om automatisk, som gir [mennesker] fri til å utforske, skape, tenke og føle." Klippet av sine svakt hippy vibber (dette var 60-tallet), står ideen fortsatt: Ved å la roboter autonomt ta seg av de dagligdagse problemene knyttet til navigasjon, kan menneskelige brukere fokusere på viktigere, engasjerende ting. Tross alt trenger de fleste ikke bevisst tenke på detaljene ved å flytte den ene foten foran den andre når de går. Hvorfor skal noen i en robot-eksosdrakt måtte gjøre det?

Den siste artikkelen dedikert til denne forskningen var nylig publisert i tidsskriftet IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics.

Redaktørenes anbefalinger

• Fremtiden for automatisering: Roboter kommer, men de vil ikke ta jobben din
• Som en bærbar førerhund hjelper denne bakryggen blinde mennesker med å navigere
• God på StarCraft? DARPA ønsker å trene militærroboter med hjernebølgene dine
• Delta Airlines planlegger å utstyre ansatte med disse kraftige roboteksoskjelettene
• Exosuits for alle: Møt selskapet som gjør bærbare roboter mainstream