Uma equipe de pesquisadores do MIT Media Lab desenvolveu um algoritmo que promete melhorar muito o rastreamento simultâneo de qualquer número de ímãs. Isso tem implicações significativas para as próteses, realidade aumentada, robótica, e outros campos.

O estudante de graduação Cameron Taylor, pesquisador líder sobre a abordagem no grupo de Biomecatrônica do Media Lab, diz que o algoritmo reduz drasticamente o tempo que leva para os sensores determinarem as posições e orientações dos ímãs embutidos no corpo, Madeira, cerâmica, e outros materiais.

"Há anos tenho sonhado com uma abordagem minimamente invasiva para controlar as próteses, e os ímãs oferecem esse potencial, "diz Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia no MIT e chefe do grupo de Biomecatrônica. "Mas as técnicas anteriores eram muito lentas para rastrear o movimento do tecido em tempo real em alta largura de banda."

O trabalho, "Rastreamento de baixa latência de vários ímãs permanentes, "foi publicado por IEEE Sensors Journal . Haley Abramson, estudante de graduação do MIT, também é co-autora.

Rastreamento em tempo real

Por anos, as próteses contam com a eletromiografia para interpretar as mensagens do sistema nervoso periférico do usuário. Eletrodos fixados na pele adjacente aos músculos medem os impulsos fornecidos pelo cérebro para ativá-los.

É um sistema menos que perfeito. A capacidade dos eletrodos de detectar sinais que mudam ao longo do tempo, bem como para estimar o comprimento e a velocidade do movimento muscular, é limitado, e usar os dispositivos pode ser desconfortável.

Os cientistas há muito tentam descobrir uma maneira de usar ímãs, que pode ser incorporado ao corpo indefinidamente, para controlar a robótica de alta velocidade. Mas eles continuaram encontrando um grande obstáculo:os computadores demoravam muito para determinar com precisão onde os ímãs estavam e iniciar uma reação.

"O software precisa adivinhar onde estão os ímãs, e em que orientação, "Disse Taylor." Ele verifica o quão bom é seu palpite, dado o campo magnético que vê, e quando está errado, ele adivinha várias vezes até chegar ao local. "

Esse processo, que Taylor compara a um jogo de Quente e Frio, requer muitos cálculos, que atrasa o movimento. "Os sistemas de controle robótico exigem velocidades muito altas em termos de reatividade, "Herr diz." Se o tempo entre a detecção e a atuação por uma plataforma projetada for muito longo, pode ocorrer instabilidade do dispositivo. "

Para diminuir o atraso no rastreamento magnético, um computador precisaria identificar rapidamente qual direção era "mais quente" antes de adivinhar a localização de um ímã. Taylor estava deitado no chão em casa um dia pensando sobre esse problema quando percebeu que a direção "mais quente" poderia ser calculada muito rapidamente usando técnicas simples de codificação de computador.

"Eu soube imediatamente que era possível, o que foi extremamente emocionante. Mas eu ainda tinha que validar isso, " ele diz.

Uma vez validado, Taylor e membros de sua equipe de pesquisa tiveram que resolver outro problema que complica o rastreamento magnético:a perturbação do campo magnético da Terra. Os métodos tradicionais de eliminação dessa interferência não eram práticos para o tipo de compacto, sistema móvel necessário para próteses e exoesqueletos.

A equipe encontrou uma solução elegante programando seu software de computador para pesquisar o campo magnético da Terra como se fosse simplesmente mais um sinal magnético.

Eles então testaram seu algoritmo usando um sistema com uma série de magnetômetros rastreando até quatro minúsculos, ímãs em forma de pérola. O teste demonstrou que, em comparação com sistemas de rastreamento magnético de última geração, o novo algoritmo aumentou as larguras de banda máximas em 336 por cento, 525 por cento, 635 por cento, e 773 por cento quando usado para rastrear um simultaneamente, dois, três, e quatro ímãs, respectivamente.

Taylor enfatizou que alguns outros pesquisadores usaram a mesma abordagem derivada para rastreamento, mas não demonstrou o rastreamento de vários ímãs em movimento em tempo real. "Esta é a primeira vez que uma equipe demonstra esta técnica para rastreamento em tempo real de vários ímãs permanentes de uma vez, " ele diz.

E esse rastreamento nunca foi implantado no passado como meio de acelerar o rastreamento magnético. "Todas as implementações no passado usaram linguagens de computador de alto nível sem as técnicas que usamos para aumentar a velocidade, "Taylor diz.

O novo algoritmo significa, de acordo com Taylor e Herr, que o rastreamento de alvo magnético pode ser estendido para alta velocidade, aplicativos em tempo real que requerem rastreamento de um ou mais alvos, eliminando a necessidade de uma matriz de magnetômetro fixa. O software habilitado com o novo algoritmo pode melhorar muito o controle reflexivo de próteses e exoesqueletos, simplificar a levitação magnética, e melhorar a interação com dispositivos de realidade virtual e aumentada.

"Todos os tipos de tecnologia existem para implantar no sistema nervoso ou músculos para controlar a mecatrônica, mas normalmente há um fio que atravessa o limite da pele ou componentes eletrônicos embutidos no corpo para fazer a transmissão, "Herr diz." A beleza dessa abordagem é que você está injetando pequenas contas magnéticas passivas no corpo, e toda a tecnologia fica fora do corpo. "

Numerosos aplicativos

O grupo Biomechatronics está interessado principalmente em usar suas novas descobertas para melhorar o controle de próteses, mas Hisham Bedri, um graduado do Media Lab que trabalha em realidade aumentada, diz que as aplicações potenciais dos avanços são enormes no mercado consumidor. "Se você quisesse entrar no mundo da realidade virtual e, dizer, chutar uma bola, isso é muito útil para algo assim, "Bedri diz." Isso traz esse futuro mais perto da realidade. "

As pessoas já estão injetando em si mesmas imãs minúsculos na esperança de usá-los para melhorar o desempenho natural do corpo, e isso levanta uma questão interessante sobre políticas públicas, Herr diz. "Quando as pessoas 'normais' desejam receber o implante de ímãs para melhorar a função corporal, como pensamos sobre isso? ", diz ele." Não é um dispositivo ou aplicativo médico, então, sob qual órgão regulador permitiremos que Joe e Suzy façam isso? Precisamos de uma discussão política vigorosa em torno desta questão. "

O grupo solicitou uma patente de seu algoritmo e seu método de uso de ímãs para rastrear o movimento muscular. Também está trabalhando com a Food and Drug Administration dos EUA na orientação para a transição de alta velocidade, rastreamento magnético de largura de banda larga no domínio clínico.

Agora os pesquisadores se preparam para fazer um trabalho pré-clínico para validar que essa técnica funcionará no rastreamento de tecidos humanos e no controle de próteses e exoesqueletos. "Acho que podemos começar os testes em humanos já no ano que vem, "Herr diz." Isso não é algo que está dez anos atrás. "

Além disso? "Nossa visão de longo prazo para o futuro é que injetemos esses ímãs em você e em mim e os use para operar um traje não militante do Homem de Ferro - todos estariam andando por aí com a força de um super-herói, "Taylor diz, apenas metade em tom de brincadeira. "Seriamente, no entanto, Eu realmente acho que esta é a peça que faltava para nos permitir finalmente pegar o rastreamento do ímã e movê-lo para um lugar onde ele possa ser usado de forma muito mais ampla. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.