Les ingénieurs de Caltech ont lancé une nouvelle initiative de recherche visant à restaurer la locomotion naturelle et stable des personnes souffrant de troubles de la marche résultant de lésions de la moelle épinière et d'accidents vasculaires cérébraux.

Cette initiative, baptisé RoAM (Robotic Assisted Mobility), associe des appareils d'assistance robotiques, y compris des exosquelettes et des prothèses, à un neurocontrôle infusé par l'intelligence artificielle (IA). L'initiative RoAM combine les recherches de deux roboticiens Caltech :Aaron Ames, qui crée les algorithmes qui permettent la marche des robots bipèdes et les traduit pour régir le mouvement des exosquelettes et des prothèses ; et Joël Burdick, dont les implants rachidiens transcutanés ont déjà aidé les paraplégiques dans les essais cliniques à récupérer une partie de la fonction des jambes et, de manière cruciale, contrôle du torse.

Un certain nombre d'entreprises de robotique ont commencé à construire des exosquelettes - des appareils dotés de jambes robotiques dans lesquelles une personne peut s'attacher - pour offrir une mobilité aux personnes paralysées à partir de la taille. Le problème est que tous les appareils actuels nécessitent l'utilisation de béquilles pour maintenir la stabilité.

"La marche bipède est difficile à réaliser de manière stable, " dit Ames, Bren Professeur de mécanique et d'ingénierie et de systèmes de commande et dynamiques à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées. "Alors que les béquilles aident les utilisateurs d'exosquelettes à rester debout, ils sapent de nombreux avantages pour la santé que la locomotion verticale pourrait autrement fournir. En outre, ils ne permettent pas aux utilisateurs de faire autre chose avec leurs mains en marchant."

C'est là qu'intervient le travail d'Ames et Burdick.

Ames a construit des programmes qui permettent aux robots bipèdes de marcher, en les rendant stables en appliquant des méthodes de la théorie du contrôle non linéaire. Son approche a abouti à une marche efficace par des robots humanoïdes, ainsi que des comportements dynamiques tels que courir et sauter. En collaboration avec le fabricant français d'exosquelettes Wandercraft et sa collègue Jessy Grizzle de l'Université du Michigan, Ames a traduit ces méthodes de robots en exosquelettes motorisés du bas du corps. Le résultat final a été le premier exosquelette de marche dynamique pouvant être utilisé par les paraplégiques sans avoir besoin de béquilles. Cela a le potentiel de donner aux paraplégiques une mobilité mains libres, dit Ames. À l'avenir, le couplage de son travail avec la stimulation vertébrale permettra une rétroaction directe entre l'utilisateur et l'appareil.

Pendant ce temps Burdick, Richard L. et Dorothy M. Hayman Professeur de génie mécanique et de bio-ingénierie et chercheur au JPL, que Caltech gère pour la NASA, a développé des implants rachidiens qui ont restauré certaines fonctions du bas du corps chez les porteurs dans le cadre d'essais cliniques.

L'implant, développé en collaboration avec l'ingénieur biomédical de Caltech Yu-Chong Tai, Anna L. Rosen Professeur de génie électrique et de génie médical, et l'expert en IA Yisong Yue, professeur assistant en informatique et sciences mathématiques, fournit une stimulation électrique à l'espace péridural autour de la moelle épinière inférieure tout en utilisant l'IA pour apprendre, en temps réel, les modèles de stimulation qui donnent les meilleurs résultats pour les porteurs. Dans les essais cliniques à l'UCLA, la prothèse permettait aux porteurs paralysés de se tenir debout jusqu'à 20 minutes d'affilée et de bouger volontairement les orteils, chevilles, les genoux, et les hanches.

L'un des participants à l'essai du stimulateur rachidien possédait également un exosquelette, Les chercheurs ont donc testé les deux technologies ensemble lors d'un essai à l'UCLA il y a trois ans. Ils ont découvert que lorsque le stimulateur rachidien était allumé, l'exosquelette nécessitait deux fois moins de puissance pour parcourir la même distance qu'avec le stimulateur éteint.

"Avec le stimulateur et l'exosquelette, il marchait presque tout seul, " Burdick dit. "Cette première étude était très prometteuse."

L'initiative RoAM explorera l'intersection de la stimulation de la moelle épinière infusée par l'IA à l'aide d'un exosquelette modèle Wandercraft Atalante situé à Caltech. "L'exosquelette Atalante et les algorithmes de marche que nous avons créés pour lui sont déjà suffisamment performants pour permettre aux utilisateurs de marcher de manière dynamique sans béquilles, " dit Ames. " L'initiative RoAM leur permettra de le faire en utilisant moins d'énergie et pour une variété de comportements de marche dynamiques différents, dans le but d'améliorer le quotidien des utilisateurs."

Finalement, l'initiative RoAM ira au-delà des exosquelettes en explorant les moyens de restaurer la mobilité. Les algorithmes de marche dynamique développés par Ames ont déjà été traduits en prothèses sur mesure logées dans son laboratoire, y compris une jambe motorisée pour les amputés au-dessus du genou. En outre, des exosquelettes souples – ou exossuits – seront développés pour aider à stabiliser les démarches de marche pour les personnes qui ne sont pas paralysées mais à mobilité réduite.