Учёные с помощью нейросети научили ходить протез ноги

Технологию планируют использовать и для реабилитации. Студенты и ученые Центра проектной деятельности (ЦПД) Дальневосточного федерального университета во Владивостоке разработали технологию использования нейросетей в протезе нижних конечностей, которая позволяет ему “учиться”, подстраиваясь под пациента, и самому совершать нужные движения. Об этом РИА Новости рассказал руководитель направления “Нейротехнологии” ЦПД Богдан Дмитриев.

У стандартных неактивных протезов ног, которые представлены на рынке, компенсация отталкивания ноги от поверхности происходит за счет особой пружинящей конструкции и специально подобранных материалов, но угол поднятия стопы там не компенсируется. Это существенно влияет на использование устройства и в итоге на качество жизни человека. Поэтому участники ЦПД придумали концепцию протеза, ступня которого может сгибаться под нужным углом. Первой модели не хватало мощности, и студенты переосмысли проект и сделали другие версии. При этом концепт сохранился вплоть до финальной конструкции.

“Мы хотели увеличить степень свободы при использовании протеза, восполнить физиологическую потребность изменения угла поднятия стопы, а также ее доворота. Активным “двигателем” проекта был наш программист, который сам не обладал одной ногой и пользовался протезом”, — отмечает собеседник агентства.

По его словам, в итоге придумали новую конструкцию, которая выдерживает вес человека и может двигаться. Протез базируется на трех точках опоры — они всегда гарантируют устойчивость: пяточная кость и два пальца. В конструкции реализована возможность качания стопы и компенсация отталкивания.

“Это особенно актуально для Владивостока с его сопками: если ступня не поднимается, то протез просто утыкается в подъем, опоры нет, и нет надежности движения, поэтому мы стремились сделать на этом акцент. В итоге протез обладает повышенной степенью свободы и может активно двигаться, что приводит к тому, что человек экономит ресурсы при ходьбе и минимально задумывается над позиционированием стопы, — это сказывается на качестве жизни”, — рассказывает Дмитриев.

При этом протез должен получать сигналы извне, чтобы “понимать”, в какой момент стопа должна отталкиваться от поверхности. Этот вопрос решили с помощью обучения нейронных сетей. Основной концепт управления протезом был нацелен на снятие мышечных сигналов с конечности здорового человека.

“Система датчиков, которые регистрируют сразу несколько показателей, закрепляется на ноге здорового человека. Они фиксируют положение конечности в пространстве, ее ускорение, углы поворота. Также использовались миодатчики, чтобы регистрировать мышечные показатели, и датчики давления для получения информации о распределении нагрузки и прогнозирования фазы ходьбы”, — отмечает собеседник.

Он поясняет, что такая система в первую очередь была создана именно для получения данных для обучения нейронной сети. При этом ее нельзя использовать при носке протеза на нездоровой конечности: датчики сложно интегрировать под силиконовый носок, который надевается на культю, из-за возможного натирания.

“В итоге нейросеть получает все собранные данные и “учится”. Цель использования нейросетей в данном случае — предсказать угол поворота стопы, и это получается довольно эффективно. В ходе тестирования процент подтверждения предсказания достигал 98. То есть нейросеть почти всегда знает угол, на который нужно повернуть стопу, учитывая обстоятельства, которые с человеком происходят”, — уточняет эксперт.

Плата управления помещается в сам протез, что исключает необходимость использования проводов и крепления их к ноге при ношении конструкции. Нейронные сети могут учиться в процессе использования, что позволяет протезу подстраиваться под индивидуальные особенности походки. Это было бы невозможно при внедрении программного обеспечения на чистом коде, когда устройство при получении конкретного параметра делает поворот на заданный градус.

“Протез должен стать универсальным, так как мы обучили его на выборке различных людей со здоровыми конечностями — это шаг в сторону работы с индивидуальными особенностями походки. По сути, никогда не сталкиваясь с человеком, протез может ходить сам. У него есть понимание паттернов движения, которые он отрабатывает в зависимости от того, какие сигналы получает. Помимо этого, нейронная сеть проходит дообучение в процессе использования протеза, что позволяет человеку повысить комфорт его использования, меньше задумываться о том, как он пользуется протезом, ускорить процесс абилитации, что отражается на общем повышении качества жизни”, — добавляет руководитель направления.

Также в проработке участников направления “Нейротехнологии” — идея применения такого устройства для реабилитации. Люди, которые используют протез одной конечности, начинают иначе распределять вес между здоровой и нездоровой ногой. За счет этого хрящевая ткань, суставы, межпозвоночные диски изнашиваются неравномерно, впоследствии это приводит к проблемам в опорно-двигательном аппарате.