Non mi aspettavo di farlo!
Guarda cosa possiamo fare
Bodo Hoenen
Qualche mese fa, ero a una tavola rotonda a Cannes per parlare dell'emancipazione delle ragazze. Ho concluso quel discorso con un'affermazione che non pensavo si sarebbe applicata così personalmente solo pochi mesi dopo: "Immagina la gioia negli occhi di una ragazza quando si rende conto, grazie al suo lavoro, di quanto sia autorizzata". Pochi minuti dopo essere scesa dal palco ha chiamato mia moglie, era in ospedale con nostra figlia.
Quando la vita accade
Mia figlia Lorelei ha avuto una malattia rara, un'infezione virale, che le causava gonfiore alla colonna vertebrale e al cervello. Nelle ore successive, è passata dall'essere la ragazza sfacciata e giocosa che è sempre stata, a una ragazza che faticava a respirare e il cui corpo stava diventando paralizzato. Quando sono arrivato da lei in ospedale, aveva perso l'uso del braccio sinistro, i suoi muscoli centrali erano gravemente indeboliti, non poteva camminare, stare in piedi o sedersi e faticava a respirare e parlare.
Le è stata diagnosticata la mielite flaccida acuta, una rara sindrome simile alla poliomielite, e la prognosi non era buona. Delle poche centinaia di casi finora osservati negli Stati Uniti, alcuni bambini erano morti, la maggior parte aveva una paralisi continua e solo una manciata (meno del 5%) si era ripresa completamente. Non potevamo accettarlo!
Non sono rotto!
Mia figlia ed io abbiamo deciso di affrontare questa sfida a testa alta. Oltre a fare tutto ciò che i medici e gli specialisti consigliavano, abbiamo deciso di costruire un braccio di assistenza robotico che potesse indossare. Abbiamo avuto questa idea dalla ricerca in dispositivi di assistenza all'esoscheletro che hanno aiutato le persone paralizzate a camminare di nuovo. Faremmo lo stesso costruendo un braccio esoscheletro per stimolare la riabilitazione permettendole di usare normalmente il suo braccio paralizzato. Lo renderemmo open source, raggiungeremo persone molto più intelligenti di noi e documenteremo ciò che facciamo mentre procediamo. In questo modo potremmo aiutare anche altri bambini che abbiamo incontrato nelle ultime settimane, anch'essi paralizzati.
Attraverso la ricerca, sapevamo che le grandi aziende stavano costruendo dispositivi simili, dovevamo solo capire come costruirli da soli. Costruiscilo 10 volte più economico e rendilo 10 volte più leggero, in modo che Lorelei, una bambina di cinque anni, possa usarlo ovunque vada.
"Quindi, questo è quello che abbiamo deciso di fare, abbiamo puntato sulla luna!"
Ora, probabilmente dovrei dirti che avevamo poca o nessuna esperienza nella robotica. In effetti, avevamo poca esperienza in quasi tutto ciò che abbiamo fatto ora. E questa è una delle gioie di questa storia. Attraverso l'innovazione aperta e l'aiuto degli altri, possiamo essere autorizzati a fare cose straordinarie!
Abbiamo ridotto la sfida
Durante la degenza in ospedale, il corpo di mia figlia si è rafforzato, ma il suo braccio sinistro è rimasto paralizzato. Poteva muovere le dita e torcere il polso, ma era improbabile che il movimento tornasse al braccio e alla spalla. Poteva compiere un movimento molto leggero quando il suo braccio era in uno stato di gravità zero come quando era immerso nell'acqua. È stata in grado di spostarlo di circa 10 gradi in entrambe le direzioni senza assistenza. Ciò significava che almeno un segnale molto debole stava raggiungendo i suoi muscoli e che non tutti i motoneuroni erano completamente danneggiati. Se riuscissimo a capire come raccogliere quei segnali, potremmo usarlo per controllare il braccio di assistenza robotico e incoraggiare la creazione di nuove connessioni neurali.
Questo braccio di assistenza dovrebbe anche soddisfare alcuni requisiti funzionali. La spalla di Lorelei è davvero debole, quindi qualunque cosa abbiamo costruito non poteva pesare più di 150 grammi. Dovrebbe anche essere mobile ed essere in grado di raccogliere almeno 400 grammi molte volte all'ora per almeno 5 ore. Avrebbe dovuto essere facilmente modificato e, se doveva essere indossato spesso, a scuola e con le sue amiche, doveva essere leggero, comodo e bello!
In poco tempo, abbiamo avuto un'idea approssimativa di ciò che volevamo fare: scansionare il braccio di Lorelei per ottenere misurazioni precise, stampare un tutore stampato in 3D per il suo avambraccio e la parte superiore del braccio e collegare questi due con un attuatore che sarebbe stato controllato attraverso sensori che integreremmo nelle parentesi graffe stampate in 3D.
Chiedere aiuto
Abbiamo raggiunto da registrazione di video. Per cominciare, avevamo bisogno di consigli su ciò di cui avrebbero bisogno i fondamenti di questo dispositivo. Abbiamo creato un design semplice per spiegare cosa volevamo ottenere e abbiamo chiesto consiglio. In pochi giorni, abbiamo iniziato a ricevere il supporto di cui avevamo bisogno. Dal Messico a Hong Kong, le persone hanno cercato di aiutarci.
Dopo alcune settimane, avevamo una buona conoscenza di tutti i componenti di cui avevamo bisogno per far funzionare qualcosa. Con un budget limitato, siamo andati a fare shopping. Abbiamo comprato un Arduino, una scheda ECG, vari sensori e abbiamo costruito un arm rig su cui testare il tutto.
Dopo molto aiuto da parte di molte persone, siamo passati alla creazione di alcuni prototipi, finendo con uno che ha funzionato abbastanza bene. Ha utilizzato blocchi di costruzione tipo Lego che abbiamo messo insieme per testare le cose. E ora eravamo pronti per passare alla fase successiva.
Imparare mentre procediamo
Dovevamo passare alla stampa 3D. Tuttavia, abbiamo avuto alcune difficoltà con la scansione accurata del braccio di Lorelei per ottenere le misure esatte di cui avevamo bisogno. Il problema era tenerla ferma su un asse rotante. Di solito si usava una costosa piattaforma rotante, ma noi non avevamo questo lusso. Invece, abbiamo usato un piatto. Mi sdraiavo sul pavimento ruotandolo lentamente e presto ottenevo un'ottima scansione. A volte le soluzioni semplici sono le migliori! Con la scansione 3D, avevamo tutte le misure di cui avevamo bisogno.
Abbiamo finito per progettare le parentesi graffe e stamparle piatte utilizzando la plastica PLA: la plastica PLA può essere riscaldata facilmente per diventare flessibile, quindi quando si raffredda di nuovo diventa rigida. Questo ci permetterebbe di riscaldarlo e modellarlo attorno al braccio di Lorelei, consentendo di implementare al volo piccoli cambiamenti nel design e nella vestibilità, semplicemente riscaldando e piegando. Per assicurarci di non bruciarle il braccio con la plastica riscaldata, abbiamo creato dei calchi del suo braccio in modo da poter invece modellare la plastica calda attorno ai calchi. [VIDEO]
Colpire un posto di blocco
Il sensore muscolare che inizialmente abbiamo iniziato a utilizzare si posizionava sul muscolo e misurava il segnale elettrico utilizzando due elettrodi. Questo è un grafico di come appare il segnale del mio braccio. Puoi vedere chiaramente quando è rilassato e quando tiro attivamente i muscoli.
Ciò che il sensore farebbe quindi è filtrare il segnale grezzo e normalizzarlo. Potremmo quindi impostare una soglia che attiverebbe il braccio robotico. Quando tiravo il mio muscolo, il braccio robotico tirava, e quando mi rilassavo, il braccio cadeva di nuovo.
Ma la sfida è arrivata quando ho cercato di farlo funzionare per mia figlia. I suoi segnali muscolari erano semplicemente troppo deboli. Abbiamo dovuto impostare la soglia così bassa che sarebbe stata involontariamente attivata dal suo cuore e da altri segnali muscolari.
Risoluzione di problemi creativa
Spiegai a Lorelei che i suoi segnali muscolari erano come treni che viaggiano su un binario e che non potevamo ricevere un segnale affidabile perché il binario era rotto. Qualche giorno dopo, mentre ero in stazione, mi ha guardato con una scintilla di genio e ha detto:
"Perché cerchiamo solo un treno?"
Questo è tutto! Non filtriamo e normalizziamo il segnale, diamo un'occhiata al segnale completo. Provenendo da un background in informatica, sapevo qualcosa sull'apprendimento automatico. Con l'apprendimento automatico, puoi addestrare un algoritmo per vagliare vasti set di dati e imparare a individuare punti di dati significativi. Ecco come funzionano il riconoscimento delle immagini e il riconoscimento vocale. E se usassimo lo stesso processo sui segnali grezzi di Lorelei provenienti dal suo braccio, invece di filtrare e normalizzare i segnali? Potremmo addestrare un algoritmo per riconoscere quando sta cercando di sollevare il braccio e muoverlo?
Abbiamo nuovamente creato un video e pubblicato questa sfida per chiedere consigli. Presto abbiamo trovato alcune opzioni interessanti e un'azienda che stava facendo qualcosa di simile. Dopo alcune e-mail e una telefonata, ci hanno inviato un'unità di valutazione. Abbiamo attaccato 17 elettrodi alla parte superiore del braccio: 8 paia e un elettrodo di riferimento. Ogni coppia ci fornirebbe un segnale separato non filtrato. Attraverso questi sensori multipli, saremmo in grado di guardare tutti i segnali che viaggiano attraverso il braccio di Lorelei.
Ora potremmo addestrare l'algoritmo. Lorelei solleverebbe il braccio e registrerebbe i dati del segnale. Quindi si rilassava e cercava di spingere il braccio verso il basso e registrava quei dati. Dopo alcune sessioni di addestramento, l'algoritmo è stato in grado di riconoscere i modelli dalla massa di rumore del segnale e quindi abbiamo potuto usarlo per controllare un braccio virtuale. [VIDEO]
Era così! Alla prossima sfida.
Una richiesta di aiuto
Ora sapevamo che questo approccio poteva funzionare. Tuttavia, l'algoritmo e la tecnologia che abbiamo utilizzato per rilevare il segnale sono proprietari e i costi erano ben al di sopra del nostro budget per la licenza.
Perché questa grande tecnologia non dovrebbe essere disponibile per tutti? Vogliamo costruire una tecnologia di riconoscimento del segnale mioelettrico open source. Nel corso degli ultimi mesi, un gruppo di innovatori da tutto il mondo si è unito a mia figlia per costruire un braccio robotico open source che sia 10 volte più leggero e 10 volte meno costoso di quello che c'è là fuori. Questa è la nostra storia finora, Vieni, unisciti a noi e rendila anche la tua storia!
Siamo sulle spalle di giganti!
Ho una filosofia nella vita secondo la quale vivo. Tutto ciò che facciamo è grazie ai miliardi che hanno vissuto prima di noi. Abbiamo la capacità di creare, innovare e inventare, ma non possiamo affermare che qualcosa sia solo una nostra creazione. Gran parte dell'ispirazione che usiamo per creare viene da altri. Sono le spalle su cui ci troviamo tutti. Fin dall'inizio di questo progetto io e mia figlia sapevamo di volerlo fare, non solo per noi ma per tutti i bambini che abbiamo avuto modo di conoscere e che sono anch'essi paralizzati da questa malattia. Speriamo che presto questo prototipo sia abbastanza affidabile da poter essere condiviso con migliaia di bambini come Lorelei.
Condividendo apertamente ciò che abbiamo fatto e imparato, possiamo aiutare molti altri proprio come siamo stati aiutati noi.
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