新帕金森病治疗:与机器人共舞

; 和水平的运动能力的人都表达 。 专业舞者在发展他们的技能和不同风格的舞蹈方面发挥着极大的创造力和活力。 舞者如何以美丽而有时意想不到的方式移动可以令人愉快,而且一起移动的舞者之间的同步可能会令人着迷。

对于我们作为神经科学家和生物力学家( ),以及康复科学家和舞蹈家( ),了解芭蕾舞动作中的运动技能的复杂性,或合作伙伴舞蹈中的协调的物理语言,是一个鼓舞人心且令人生畏的挑战。

了解舞者如何移动也具有重要的现实意义。 在我们的工作中,我们正在研究不同人群中的步态和平衡,以及如何牵手 - 例如在伴侣舞中 - 实际上可以帮助人们更好地行走和平衡。 最终目标是帮助那些行动不便的人更好地设计和开处康复,以及开发能够与人进行身体互动的机器人,以帮助提供运动辅助和运动学习。

芭蕾训练影响步行和平衡

根据他们在日常生活中的行走方式,将舞者与足球运动员区分开来很容易 - 一个像液体一样滑动,另一个是接地且坚固。 这符合我们的发现, 芭蕾舞训练改变了一个人走路的方式 但它也反对运动训练原则,即 ,例如挥动球棒或做车轮。

另一方面,康复依赖于运动技能在不同任务中概括的观点。 行动障碍者在现实生活中会遇到各种可能的情况是不可能的。 治疗师希望帮助患者在健身房的一些任务中发展力量和技能将推广到世界上的改进。

在 ( 领导的一项研究中,我现在是伊利诺伊大学芝加哥分校的运动机能学助理教授,我们本身并没有看芭蕾舞。 相反,我们利用舞者严格的,长达数年的训练方案来测试学习在特定环境中学习是否会影响我们执行日常任务的方式。 我们想知道芭蕾舞演员在执行他们没有明确练习的任务时是否真的与你和我不同。

事实证明,当面对具有挑战性的狭窄光束时芭蕾舞演员仍然使用相同的首选,习惯性的肌肉协调模式 ,他们在正常的水平地板上行走时使用。 这些模式称为“电机模块”; 神经系统使用它们来构建运动, 类似于“肌肉记忆”的概念 为了找到每个参与者的运动模块,我们测量了腿和躯干中许多肌肉在穿过不同难度的横梁时的电活动。

与芭蕾舞者相比,努力穿越横梁的非舞者不能依赖他们在正常行走中使用的相同的电机模块。 为什么? 我们的研究表明,舞者的长期芭蕾训练改进了一套用于步行的运动模块,因此它们也可以用于更具挑战性的相关任务; 这反过来又改变了舞者在日常生活中的行走方式。

在康复设施中使用舞蹈训练

在训练有素的个体中获得运动技能的相同原则 - 如芭蕾舞者 - 也可能在行动障碍患者的康复和运动技能重新获取方面发挥作用。

听一下神经生理学杂志采访研究人员。 5.91 MB (下载)

跳舞可以有效康复平衡和步态障碍,特别是帕金森病(PD)患者。 Madeleine开发了 ,参与者学习了一系列渐进式探戈舞步骤,专门用于解决PD患者平衡,前进和后退,转弯和复杂环境导航等问题。 它 。 但是怎么样?

在一项试点研究中,我们发现经过为期三周的强化探戈康复计划后,PD的参与者变得更像是训练有素的芭蕾舞者。 埃默里生物医学工程助理教授专门研究帕金森病患者的平衡障碍机制,结果表明参与者在适应探戈后 。 ,西弗吉尼亚大学即将成为助理教授,人类步态专家,进一步表明他们的运动模块在步行和平衡任务方面也更加一致

像芭蕾舞演员一样,PD的改编探戈参与者可以在不同的运动任务中使用相同的电机模块。 也就是说,当他们练习探戈舞蹈技巧时,他们开发出的电机模块也可以帮助他们在日常生活中行走和平衡。 这种机制可以解释为什么练习舞蹈可以有利地改变步态和平衡。

和我一起跳舞:人与机器人之间的身体合作

我们还与佐治亚理工学院的 ( ,他对机器人能够以直观和有益的方式与人类进行物理交互的方式感兴趣。 例如,康复机器人有朝一日会与帕金森病患者共舞,以帮助他们提高运动技能吗?

推进人体物理相互作用的科学对于开发这种技术至关重要。 研究人员才刚刚开始研究两个人之间的合作(一起携带桌子)或竞争(拔河)任务。

在伴侣舞蹈中,领导者和追随者之间的物理力量是两个人能够彼此保持同步的关键。 即使闭着眼睛,人们之间也可能发生这种复杂的协调。

我们想知道合作伙伴舞蹈的微妙见解是否可以用来开发人类和辅助机器人之间的直观物理交互。 已经为开发了一种 的方式。 机器人可以通过简单地通过解释手持力来跟踪护士在复杂的环境中。

握住机器人追随者的手是否感觉像是与人交往? 蒂芙尼在一个简单的合作踏步任务中与合作伙伴舞蹈教练一起测试了Cody。 我们的专业合作伙伴舞者对感到惊讶。 他们觉得Cody可以通过手上的力量来解释细微的引导,这些力量表明了运动的方向和速度。 与通常使用的游戏垫相比,这种类型的物理引导提供了更直观的方式来引导机器人的运动。

但我们仍然希望将人机器人伙伴关系的手部和身体动作的力量与两个人的舞蹈进行比较。 Cody和一个伙伴看起来像两个人做同样的任务吗?

我们的专业合作伙伴舞者带着安德鲁回到实验室。 我们发现,人体协调运动(甚至没有视力)的手部力量 。 这比Cody需要跟随一个人要少,所以我们如何编程机器人来响应力量的灵敏度低于一个人。

我们才刚刚开始了解如何解释人类伙伴手中力量的微妙变化。 由于这些力量是我们研究中参与者之间唯一的沟通渠道,我们知道它们包含有关运动意图(我们想去的地方),运动表现(我们实际上是如何运动)的信息,以及合作伙伴的技能水平。 但是人与人之间的物理相互作用领域已经成熟,可以与人类安全和直观交互 。

前进两步......

机器人能成为一个有效的康复舞伴吗? 到目前为止,我们刚刚开始了解舞蹈对人体运动技能的影响,以及进行伴侣舞蹈所需的身体互动。

更重要的是,我们寻求发现我们如何学习和重新学习移动,以及物理互动如何帮助我们更好地移动。 回答这些问题可能有助于我们保持警惕。

物理治疗系生物医学工程与康复医学教授, 医学助理教授

本文最初发表于 。 阅读 。

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