Ich habe nicht erwartet, dies zu tun!
Schauen Sie, was wir tun können
Bodo Hoenen
Vor ein paar Monaten nahm ich an einer Podiumsdiskussion in Cannes teil und sprach über die Stärkung von Mädchen. Ich beendete dieses Gespräch mit einer Aussage, von der ich nicht glaubte, dass sie nur ein paar Monate später so persönlich zutreffen würde: „Stellen Sie sich die Freude in den Augen eines jungen Mädchens vor, wenn ihr durch ihre Arbeit klar wird, wie stark sie ist.“ Ein paar Minuten nachdem ich die Bühne verlassen hatte, rief meine Frau an und sie lag mit unserer Tochter im Krankenhaus.
Wenn das Leben passiert
Meine Tochter Lorelei bekam eine seltene Krankheit, eine Virusinfektion, die zu einer Schwellung ihrer Wirbelsäule und ihres Gehirns führte. In den nächsten Stunden verwandelte sie sich von dem frechen, verspielten Mädchen, das sie immer war, in ein Mädchen, das Schwierigkeiten beim Atmen hatte und dessen Körper gelähmt war. Als ich sie im Krankenhaus erreichte, konnte sie ihren linken Arm nicht mehr bewegen, ihre Rumpfmuskulatur war stark geschwächt, sie konnte nicht gehen, stehen oder sitzen und hatte Schwierigkeiten beim Atmen und Sprechen.
Bei ihr wurde akute schlaffe Myelitis diagnostiziert, ein seltenes Polio-ähnliches Syndrom, und die Prognose war nicht gut. Von den wenigen hundert Fällen, die bisher in den USA beobachtet wurden, waren einige Kinder gestorben, die meisten hatten anhaltende Lähmungen und nur eine Handvoll (weniger als 5 %) hatten sich vollständig erholt. Das konnten wir nicht akzeptieren!
Ich bin nicht kaputt!
Meine Tochter und ich beschlossen, diese Herausforderung direkt anzugehen. Zusätzlich zu allem, was die Ärzte und Spezialisten empfohlen hatten, beschlossen wir, einen Roboter-Hilfsarm zu bauen, den sie tragen konnte. Diese Idee haben wir durch Recherchen in erhalten Exoskelett-Hilfsgeräte die gelähmten Menschen geholfen haben, wieder gehen zu können. Wir würden das Gleiche tun, indem wir einen Exoskelettarm bauen, um die Rehabilitation zu fördern, indem wir ihr ermöglichen, ihren gelähmten Arm ganz normal zu benutzen. Wir würden es Open Source machen, Menschen erreichen, die viel schlauer sind als wir, und dabei dokumentieren, was wir tun. Auf diese Weise konnten wir auch anderen Kindern helfen, die wir in den letzten Wochen kennengelernt hatten und die ebenfalls gelähmt sind.
Durch Recherchen wussten wir, dass große Unternehmen ähnliche Geräte bauen, wir mussten nur herausfinden, wie wir sie selbst bauen können. Bauen Sie es zehnmal billiger und machen Sie es zehnmal leichter, damit Lorelei, eine Fünfjährige, es überall verwenden kann.
„Das ist es also, was wir uns vorgenommen haben, wir haben zum Mond geschossen!“
Jetzt sollte ich Ihnen wahrscheinlich sagen, dass wir wenig bis gar keine Erfahrung in der Robotik hatten. Tatsächlich hatten wir in fast allem, was wir jetzt getan haben, wenig Erfahrung. Und das ist eine der Freuden dieser Geschichte. Durch offene Innovation und die Hilfe anderer können wir erstaunliche Dinge tun!
Wir haben die Herausforderung auf den Punkt gebracht
Während des Krankenhausaufenthaltes wurde der Körper meiner Tochter kräftiger, ihr linker Arm blieb jedoch gelähmt. Sie konnte ihre Finger bewegen und ihr Handgelenk drehen, aber es war unwahrscheinlich, dass viel Bewegung in ihren Arm und ihre Schulter zurückkehren würde. Sie konnte eine sehr leichte Bewegung ausführen, wenn sich ihr Arm in der Schwerelosigkeit befand, etwa wenn sie in Wasser getaucht wäre. Sie konnte es ohne Hilfe um etwa 10 Grad in beide Richtungen bewegen. Dies bedeutete, dass zumindest ein sehr schwaches Signal ihre Muskeln erreichte und nicht alle Motoneuronen vollständig geschädigt waren. Wenn wir herausfinden könnten, wie wir diese Signale empfangen, könnten wir damit den Hilfsarm des Roboters steuern und die Herstellung neuer neuronaler Verbindungen fördern.
Dieser Hilfsarm müsste auch einige funktionelle Anforderungen erfüllen. Loreleis Schulter ist wirklich schwach, daher durfte das, was wir gebaut haben, nicht mehr als 150 Gramm wiegen. Außerdem müsste es mobil sein und in der Lage sein, mindestens 400 Stunden lang mehrmals pro Stunde mindestens 5 Gramm aufzunehmen. Es musste leicht zu modifizieren sein und, wenn es oft getragen werden sollte, in der Schule und mit ihren Freunden, musste es leicht, bequem und schön sein!
Schon bald hatten wir eine ungefähre Vorstellung davon, was wir tun wollten: Loreleis Arm scannen, um genaue Maße zu erhalten, eine 3D-gedruckte Armschiene für ihren Unterarm und Oberarm ausdrucken und diese beiden mit einem Aktuator verbinden, der darüber gesteuert werden würde Sensoren, die wir in die 3D-gedruckten Zahnspangen einbetten würden.
Nach Hilfe fragen
Wir haben uns bei Ihnen gemeldet Videos aufnehmen. Zunächst brauchten wir Ratschläge zu den Grundlagen dieses Geräts. Wir haben ein einfaches Design erstellt, um zu erklären, was wir erreichen wollten, und haben uns um Rat gefragt. Innerhalb weniger Tage erhielten wir die Unterstützung, die wir brauchten. Von Mexiko bis Hongkong haben sich Menschen gemeldet, um uns zu helfen.
Nach ein paar Wochen hatten wir ein ziemlich gutes Verständnis für alle Komponenten, die wir brauchten, um etwas zum Laufen zu bringen. Mit einem knappen Budget gingen wir einkaufen. Wir kauften einen Arduino, ein EKG-Board, verschiedene Sensoren und bauten ein Arm-Rig, um alles auszuprobieren.
Nach der großen Hilfe vieler Leute gingen wir dazu über, ein paar Prototypen zu erstellen, und am Ende hatten wir einen, der recht gut funktionierte. Es wurden Lego-Bausteine verwendet, die wir zum Ausprobieren zusammengestellt haben. Und nun waren wir bereit, mit dem nächsten Schritt fortzufahren.
Lernen, während wir gehen
Wir mussten auf den 3D-Druck umsteigen. Allerdings hatten wir einige Schwierigkeiten damit, Loreleis Arm genau zu scannen, um die genauen Maße zu erhalten, die wir brauchten. Das Problem bestand darin, sie auf einer rotierenden Achse stabil zu halten. Normalerweise würde man eine teure Drehplattform verwenden, aber diesen Luxus hatten wir nicht. Stattdessen haben wir einen Teller verwendet. Ich lag auf dem Boden und drehte es langsam, und schon bald bekam ich einen tollen Scan. Manchmal sind einfache Lösungen die besten! Mit dem 3D-Scan hatten wir alle benötigten Messungen.
Am Ende haben wir die Zahnspangen entworfen und sie flach aus PLA-Kunststoff gedruckt. PLA-Kunststoff kann leicht erhitzt werden, um flexibel zu werden, und wenn er dann wieder abkühlt, wird er steif. Dies würde es uns ermöglichen, es zu erhitzen und um Lorelei's Arm zu formen, sodass kleine Änderungen im Design und in der Passform im Handumdrehen durch einfaches Erhitzen und Biegen umgesetzt werden könnten. Um sicherzustellen, dass wir ihren Arm nicht mit erhitztem Kunststoff verbrannten, erstellten wir Abdrücke ihres Arms, sodass wir stattdessen den heißen Kunststoff um die Abdrücke herum formen konnten. [VIDEO]
Auf eine Straßensperre stoßen
Der Muskelsensor, den wir ursprünglich verwendeten, saß auf dem Muskel und maß das elektrische Signal mithilfe von zwei Elektroden. Dies ist eine Tabelle, wie mein Armsignal aussieht. Man sieht deutlich, wann es entspannt ist und wann ich aktiv an meinem Muskel ziehe.
Der Sensor würde dann das Rohsignal filtern und normalisieren. Wir könnten dann einen Schwellenwert festlegen, der den Roboterarm auslöst. Wenn ich meinen Muskel anzog, zog der Roboterarm, und wenn ich mich entspannte, fiel der Arm wieder nach unten.
Die Herausforderung bestand jedoch darin, es für meine Tochter zum Laufen zu bringen. Ihre Muskelsignale waren einfach zu schwach. Wir mussten die Schwelle so niedrig einstellen, dass sie unbeabsichtigt durch ihr Herz und andere Muskelsignale ausgelöst wurde.
Kreative Problemlösung
Ich erklärte Lorelei, dass ihre Muskelsignale wie Züge seien, die auf einem Gleis entlangfahren, und dass wir kein zuverlässiges Signal bekommen könnten, weil das Gleis kaputt sei. Ein paar Tage später, als sie am Bahnhof war, sah sie mich mit einem Funken Genialität an und sagte:
„Warum suchen wir nur nach einem Zug?“
Das ist es! Lassen Sie uns das Signal nicht herausfiltern und normalisieren, sondern betrachten wir das vollständige Signal. Da ich einen Hintergrund in der Informatik hatte, wusste ich ein wenig über maschinelles Lernen. Mit maschinellem Lernen können Sie einem Algorithmus beibringen, riesige Datensätze zu durchsuchen und zu lernen, wichtige Datenpunkte auszuwählen. So funktionieren Bilderkennung und Spracherkennung. Was wäre, wenn wir den gleichen Prozess auf Loreleis Rohsignale anwenden würden, die von ihrem Arm kommen, anstatt die Signale zu filtern und zu normalisieren? Könnten wir einen Algorithmus trainieren, um zu erkennen, wann sie versucht, ihren Arm aufzuheben und zu bewegen?
Wir haben erneut ein Video erstellt und diese Herausforderung gepostet, um um Rat zu bitten. Bald fanden wir einige interessante Optionen und ein Unternehmen, das etwas Ähnliches tat. Nach ein paar E-Mails und einem Telefonanruf schickten sie uns ein Evaluierungsgerät. Wir befestigten 17 Elektroden an ihrem Oberarm: 8 Paare und eine Basiselektrode. Jedes Paar würde uns ein separates ungefiltertes Signal liefern. Durch diese zahlreichen Sensoren könnten wir alle Signale beobachten, die durch Lorelei's Arm wandern.
Jetzt könnten wir den Algorithmus trainieren. Lorelei würde ihren Arm nach oben ziehen und die Signaldaten aufzeichnen. Dann entspannte sie sich und versuchte, ihren Arm nach unten zu drücken, um die Daten aufzuzeichnen. Nach ein paar Trainingseinheiten war der Algorithmus in der Lage, aus der Masse des Signalrauschens Muster zu erkennen und wir konnten damit einen virtuellen Arm steuern. [VIDEO]
Das war es! Auf zur nächsten Herausforderung.
Ein Hilferuf
Wir wussten jetzt, dass dieser Ansatz funktionieren könnte. Allerdings sind der Algorithmus und die Technologie, die wir zum Empfangen des Signals verwendet haben, proprietär und die Kosten für die Lizenzierung lagen deutlich über unserem Budget.
Warum sollte diese großartige Technologie nicht für jeden verfügbar sein? Wir wollen eine Open-Source-Technologie zur myoelektrischen Signalerkennung entwickeln. Im Laufe der letzten Monate hat sich eine Gruppe von Innovatoren aus der ganzen Welt meiner Tochter angeschlossen, um einen Open-Source-Roboterarm zu bauen, der zehnmal leichter und zehnmal günstiger ist als alles, was es auf dem Markt gibt. Das ist unsere bisherige Geschichte, mach bei uns mit und mach es auch zu deiner Geschichte!
Wir stehen auf den Schultern von Giganten!
Ich habe eine Lebensphilosophie, nach der ich lebe. Alles, was wir tun, ist den Milliarden Menschen zu verdanken, die vor uns gelebt haben. Wir haben die Fähigkeit zu schaffen, zu innovieren und zu erfinden, aber wir können nicht behaupten, dass irgendetwas allein unsere Schöpfung ist. Ein Großteil der Inspiration, die wir zum Schaffen nutzen, kommt von anderen. Es sind die Schultern, auf denen wir alle stehen. Schon zu Beginn dieses Projekts wussten meine Tochter und ich, dass wir dies nicht nur für uns selbst tun wollten, sondern für alle Kinder, die wir kennengelernt haben und die ebenfalls durch diese Krankheit gelähmt sind. Wir hoffen, dass dieser Prototyp bald zuverlässig genug sein wird, um ihn mit Tausenden von Kindern wie Lorelei zu teilen.
Indem wir offen mitteilen, was wir getan und gelernt haben, können wir vielen anderen genauso helfen, wie uns geholfen wurde.
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