Me gustaría agradecer la ayuda técnica de Brian Zenowich, Evestedt Daniel y Lin Winsean.

Introducción Hay una necesidad creciente en todas interacción hombre-máquina (HMI) para entornos interactivos intuitiva y eficiente. Numerosas industrias siguen dependiendo en mayor medida de HMI, tales como: la robótica de rehabilitación, la industria automotriz, fabricación de metales, maquinaria de envasado, productos farmacéuticos, alimentos, bebidas, y servicios públicos. Tecnologías empleadas en estas industrias incluyen: terminales de pantalla, los ordenadores personales, software y HMI. Estas tecnologías pueden ser combinadas para realizar funciones ilimitadas. Los robots pueden ser utilizados para facilitar la interacción directa con los usuarios, tales como servir como un instructor de música. Por ejemplo, los investigadores de la Universidad de Waseda han creado un robot que toca el saxofón para enseñar a la gente a jugar y de entender la interacción entre el estudiante y el profesor 1. Otros investigadores de robótica han hecho un robot basada en la visión de vuelo para determinar cómo la inteligencia artificial pueden convertirse en las interacciones inteligentes con el medio ambiente 2. La especial concentración de este trabajo reside en la robótica de rehabilitación. En el ámbito de la investigación y la industria, el rápido ritmo de cambio de nuevos productos y necesidades de los usuarios sigue creciendo. Estas exigencias imponen mayores retos de escalabilidad. Por lo tanto el diseño de códigos ha convertido en parte integral para satisfacer las necesidades de estas entidades de manera oportuna. Por lo tanto, la calidad de un candidato fuerte arquitectónicos que incluyen gráficos fácilmente intercambiables-robot que incluyen los sistemas de ayuda al conductor. La arquitectura H3DAPI responde a estas necesidades y por lo tanto una clase de contenedor ha sido creado. Además, la H3D está diseñado para entornos de realidad virtual, como los que se necesitan en la robótica de rehabilitación. Neuronales robótica de rehabilitación busca utilizar robots con el propósito de ayudar a los profesionales de la rehabilitación. La asistencia que proporcionan estos robots se presenta en forma de un campo de fuerza. Pasado los investigadores de comandos del motor, tales como Shadmehr y Mussa Ivaldi, utiliza campos de fuerza para favorecer la adaptación del motor, y han encontrado 1) la adaptación a un campo de fuerza aplicada externamente se presenta con diferentes clases de movimientos incluyendo pero no limitado a los movimientos de largo alcance, y 2) la adaptación se generaliza a través de los distintos movimientos que la visita de las mismas regiones de los 3 campos externos. La investigación de los ingenieros biomecánicos en basado en el desempeño progresivo asistida por robot muestra que la terapia repetitivas, tareas específicas, dirigidos a un objetivo, asistida por robot terapia es efectiva en la reducción de las deficiencias motoras en el brazo afectado después de 4 tiempos, pero los efectos terapéuticos y los parámetros exactos siguen siendo un campo de investigación. Retroalimentación sensorial afecta el aprendizaje y la adaptación. Por lo tanto, la siguiente pregunta lógica sería la de preguntar si o no el incremento artificial de la magnitud de esas reacciones, promoverá más rápida o más completa de aprendizaje / adaptación. Algunos investigadores han encontrado que la aplicación de mayores fuerzas de la retroalimentación sensorial o señales visuales para mejorar los errores pueden proporcionar un estímulo neurológico adecuado para promover mayores niveles de adaptación / aprendizaje 5,6. Esto se conoce como &quot;el aumento de error&quot;. Este fenómeno puede deberse al hecho de que los resultados de una vez de una acción de control del motor se apartan del ideal, nuestro modelo interno se ajusta automáticamente de acuerdo a la magnitud del error. En consecuencia, a nuestro modelo interno acerca del ambiente externo, error en la ejecución de una tarea disminuye. La investigación continúa para apoyar la práctica prolongada de la funcionalmente las actividades relevantes para la restauración de la función, aunque muchas de las políticas de salud actuales limitan la cantidad de tiempo que los pacientes pueden pasar tiempo con los terapeutas. La obligada pregunta es si estas nuevas aplicaciones de la tecnología puede ir más allá de simplemente dar una dosis más alta del estado actual de la atención. Hombre-máquina de los estudios de interacción han puesto de manifiesto nuevas perspectivas en las áreas de aprendizaje motor, y en algunos casos pueden ofrecer un valor añadido al proceso terapéutico. Especializados dispositivos robóticos en combinación con ordenador muestra puede aumentar la respuesta de error con el fin de agilizar, mejorar, o desencadenar reaprendizaje motor. Este documento presenta una metodología de uso de un sistema desarrollado para una intervención clínica como uno de los ejemplos de la aplicación de esta tecnología. 1. El establecimiento de la clase HAPI contenedor de un robot <ol><li> Crear un contenedor para la biblioteca de HAPI tacto mediante la creación de su cuenta. Cpp y el archivo de cabecera. Por ejemplo vamos a utilizar el nombre y HAPIWAM.cpp HAPIWAM.h. </li><li> HAPIWAM.cpp lugar en el directorio de origen: HAPI / src </li><li> HAPIWAM.h lugar en el directorio del archivo de cabecera: HAPI / include / HAPI </li><li> En la parte superior de HAPIWAM.h, incluya el archivo de encabezado principal (s) de su robot, en el caso de la WAM de Barrett, que sería la siguiente: </li></ol> &lt;em&gt; extern &quot;C&quot; { # Include &lt;include/btwam.h&gt; } # Include &lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt; Nota: extern &quot;C&quot; es necesaria para resolver mangling compilador, porque la biblioteca se incluye escritos en &#39;C&#39; y el H3DAPI está escrito en C + +. <ol start="5"><li> En HAPIWAM.h, crear una clase y se incluyen las siguientes cuatro funciones </li></ol> bool initHapticsDevice (int); bool releaseHapticsDevice (); updateDeviceValues ​​void (DeviceValues ​​y dv, HAPITime dt); vacío sendOutput (HAPIHapticsDevice:: DeviceOutput + D, HAPITime t); <ol start="6"><li> Asegúrese de que su clase se hereda de la clase pública HAPIhapticsdevice. </li><li> Crear un guardia de cabecera para su clase. </li><li> Crear DeviceOutput estática y atributos estáticos HapticsDeviceRegistration en la clase HAPIWAM. </li><li> Crear funciones miembro estáticas para devoluciones de llamada. </li><li> Definir el constructor y el destructor de HAPIWAM.cpp. </li><li> Registrar su dispositivo en HAPIWAM.cpp. </li><li> Defina sus cuatro funciones heredadas y devoluciones de llamada en HAPIWAM.cpp. </li></ol> 2. HAPI creación de la biblioteca <ol><li> Ahora que hemos creado la clase de contenedor de HAPI, que necesitamos para construir su envoltura en la biblioteca de HAPI. El WAM depende de algunas bibliotecas que H3DAPI no depende en su forma cruda, por lo tanto, estas bibliotecas tendrán que ser añadido a HAPI. Ir al HAPI / HAPI / build, y editar CMakeLists.txt. Añadir las bibliotecas dependientes después de la línea que dice &quot;SET (OptionalLibs). </li><li> Abrir una consola de comandos y vaya a: HAPI / HAPI / build y el tipo de los siguientes 3 comandos en este orden: </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 3. Clase contenedora H3D <ol><li> Para crear la clase de contenedor para la biblioteca con su H3D HAPIWAM, primero debe crear WAMDevice.cpp en el directorio fuente: H3DAPI/src </li><li> WAMDevice.h lugar en el directorio del archivo de cabecera: H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h debe contener el archivo de encabezado estándar para todos los dispositivos H3DAPI, con el nombre del sustituido para lo que quieras. </li><li> WAMDevice.cpp debe contener la fuente estándar para todos los dispositivos H3DAPI, con el nombre del sustituido para lo que quieras. </li><li> Ahora que la clase de contenedor se ha creado, la reconstrucción de la biblioteca H3DAPI. Para ello, la edición CMakeLists.txt de la misma manera que se realizó en el paso 2.1, sólo en el directorio: H3DAPI/build. </li><li> La reconstrucción de la biblioteca H3DAPI bajo el directorio H3DAPI/build </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 4. Máquina de estados finitos <ol><li> Todos los programas de alcance dirigidos requiere la creación de una máquina de estados finitos para controlar el protocolo experimental o el régimen de la práctica. Máquinas típicas del estado son: Inicio de la prueba, el lanzamiento, Contacto de destino y final del ensayo. Un ejemplo de la función de cada estado, y los criterios para la transferencia entre estados se indican a continuación. </li><li> El inicio del juicio requiere la asignación de un objetivo. Lugares de objetivos se puede establecer al azar para cada ensayo o se puede configurar desde un archivo. El inicio de la prueba termina una vez que el usuario ha puesto en marcha hacia el objetivo por encima del umbral de velocidad, por lo general 0,06 metros por segundo. </li><li> El Estado de lanzamiento se produce después del inicio del juicio. Este estado termina bien una vez que el usuario toca la meta o se queda dentro de la meta por un período de tiempo. Una vez que el objetivo se toca, esto permite que el estado del contacto de destino. </li><li> Contacto objetivo se produce durante el estado de lanzamiento. Puede terminar tan pronto como el objetivo se toca o cuando el sujeto se encuentra dentro del objetivo de un período específico de tiempo. Una vez transcurrido este tiempo, el fin del estado de prueba está activado. </li><li> El fin de la celebración del juicio debe señalar que el software de recopilación de datos para marcar el archivo de datos, en cualquier análisis el desarrollador de software ha utilizado, para delimitar el final de la prueba cada uno. A menos que la última prueba se ha completado, al final de la Final de Primera Instancia del Estado permite el inicio de la celebración del juicio. </li></ol> 5. Aplicación: la rehabilitación del paciente con ictus <ol><li> La interfaz de robot fue diseñado para la participación de expertos terapeutas, mientras que el uso del robot para permitir algo que de otra manera no se podía hacer. La aplicación de la tecnología que permite (que se describe con más detalle a continuación) de aumento de error, que magnifican los errores percibidos por el paciente, que por varias razones bien conocidas mejora el proceso de reaprendizaje (fig 1). </li><li> Un tacto de tres dimensiones / sistema gráfico llamado la Realidad Virtual y Robótica de la máquina de Operaciones Óptica (VRROOM). Este sistema, presentado con anterioridad 6, junto un equipo de sonido proyectado, con la cabeza seguido de representación en una pantalla de espejo semi-plateado superposición con un sistema robótico que la posición registrada muñeca y ha generado un vector de fuerza (fig. 2). </li><li> Un di con calidad de cinegital proyector (Christie Mirage 3000 DLP) que se muestran las imágenes que se extendió por una pantalla de cinco metros de ancho 1280x1024 píxeles, lo que resulta en un ángulo de visión amplio de 110 °. Emisores de infrarrojos sincronizados por separado las imágenes del ojo izquierdo y derecho a través de pantallas de cristal líquido (LCD) de gafas de obturación (Stereographics, Inc). Ascensión Bandada de pájaros elementos magnéticos seguimiento de movimiento de la cabeza para que la presentación visual se hizo con la adecuada perspectiva centrada en la cabeza. </li><li> Al calificar para el estudio, la capacidad funcional de cada participante fue evaluado por un evaluador ciego al inicio y final de cada paradigma en el tratamiento con una semana de seguimiento después de cada uno y un total de 45 días de evaluación de seguimiento. Cada evaluación consistió en un rango de movimiento (ROM) de evaluación realizado en el VRROOM, así como las medidas clínicas que incluyen: la evaluación de Caja y bloques, Wolf Prueba de funcionamiento del motor (WMFT), la sección del brazo del motor de la Fugl-Meyer (AMFM), y evaluación de alcance funcional simple (TFE). </li><li> Un guante exotendon con férula en la muñeca fue utilizada para ayudar en la alineación neutral de la muñeca y mano. El centro de la manija robot se adjunta en el antebrazo se colocó detrás de la articulación radiocarpiana, para que sus fuerzas actuaron en la muñeca, pero permite el movimiento en la mano. </li><li> El peso del brazo del paciente fue reducido con un resorte accionado Wilmington robótica exoesqueleto (WREX) la gravedad equilibrado órtesis. Objetivo instruyó a la paciente fue a perseguir a un cursor presentó delante de ellos se movió a través de un dispositivo de rastreo en la mano del terapeuta (teleoperación terapeuta). </li><li> Los pacientes practican tres veces por semana durante aproximadamente 40-60 minutos, con el paciente, el terapeuta, y el robot que trabajan juntos en un trío. Sujeto y el terapeuta se sentaron lado a lado, y el tema estaba relacionado con el robot en la muñeca. </li><li> Cada sesión se inició con cinco minutos de la gama de ejercicios de movimiento pasivo (PROM) con el terapeuta, seguida por aproximadamente diez minutos para situar al paciente en la máquina. El sujeto completó seis bloques de ejercicios de movimiento de cinco minutos cada uno con períodos de descanso de dos minutos entre cada bloque. </li><li> Durante el entrenamiento, los participantes vieron dos cursores en la pantalla del estéreo. El terapeuta manipula el tratamiento de un cursor mientras el participante controla el otro. Los pacientes fueron instruidos para seguir la ruta exacta del cursor del terapeuta mientras se movía a través del espacio de trabajo. </li><li> El aumento de error fue proporcionada, tanto visualmente como por las fuerzas generadas por el robot. Cuando los participantes se desvió de cursor terapeuta, un vector de error e instantánea se estableció como la diferencia en la posición del cursor entre el terapeuta y la mano de los participantes. Error se magnifica visualmente por un factor de 1,5 e (m) como parte del aumento de error. Además, una fuerza de error aumentar de 100 e (N / m) se aplicó también, que fue programado para saturar a un máximo de 4 N por razones de seguridad. </li><li> Cada bloque de otro tratamiento consistió en movimientos específicos y estandarizados que fueron los mismos para cada sesión. Los otros bloques permite el terapeuta para personalizar la formación en áreas específicas de debilidad sobre la base de conocimientos terapeuta y sus observaciones. El protocolo de tratamiento incluye la práctica de movimientos específicos para todos los participantes, incluyendo al delantero y laterales de llegar, hombro-codo de acoplamiento, y la diagonal de llegar a través del cuerpo. </li><li> Si bien la práctica, día a día el error medio fue medida como un resultado de la práctica. Se prestó especial atención a los bloques de movimientos estandarizados que fueron los mismos para cada sesión. Estos fueron comparados con los días anteriores para determinar si cualquier mejora incremental se puede observar en el día a día, que se puede informar al paciente, el terapeuta y los cuidadores (Fig. 3). </li><li> Las medidas primarias de resultado se midieron semanalmente, una semana después del final del tratamiento, y 45 días después para determinar la retención de beneficios. Entre los principales resultados fueron la puntuación de Fugl-Meyer motor y la capacidad de nuestra prueba personalizada alcance de la mano que mide la amplitud de movimiento. </li></ol> 6. Los resultados representativos: Cuando el protocolo se hace correctamente, entonces una vez que el nodo &lt;AnyDevice&gt; se carga en el H3DViewer o H3DLoad, el dispositivo de WAM debe ser reconocido y ha iniciado. Si el WAM fueron reemplazados por otro robot, el código en sí no tendría que ser cambiado. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="Figura 1"/> Figura 1. Sujeto sentado a la háptica / aparato gráfico. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="Figura 2"/> Figura 2. Sujeto sentado a la háptica / aparato gráfico con el fisioterapeuta. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="Figura 3"/> Figura 3. Configuración para la rehabilitación of del paciente con ictus. A) sujeto y el terapeuta trabajan juntos, sentados y con el gran espacio de trabajo táctil / pantalla gráfica para la práctica del movimiento. El terapeuta proporciona una señal para el sujeto, y se puede adaptar acondicionado a las necesidades del paciente. El robot fuerzas que empujan a la extremidad de la meta y el sistema de información visual aumenta el error del cursor. B) típico paciente con ictus crónico mejora día a día. Cada punto representa el error medio medido para un bloque de dos minutos de movimiento funcional estereotipadas. Mientras que el paciente muestra los progresos realizados en el período de 2 semanas y beneficio general, esta persona no siempre mejorar cada día.

<ol>
	<li>Solis, J., Takeshi, N., Petersen, K., Takeuchi, M., Takanishi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+the+anthropomorphic+saxophonist+robot+WAS-1:+Mechanical+design+of+the+simulated+organs+and+implementation+of+air+pressure.">Development of the anthropomorphic saxophonist robot WAS-1: Mechanical design of the simulated organs and implementation of air pressure.</a> Advanced Robotics Journal. 24, 629-650 (2010).</li><li>Zufferey, J. C., Floreano, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolving+Won-Based+Flying+Robots.">Evolving Won-Based Flying Robots.</a> , 592-600 (2002).</li><li>Conditt, M. A., Gandolfo, F., Mussa-Ivaldi, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+motor+system+does+not+learn+the+dynamics+of+the+arm+by+rote+memorization+of+past+experience.">The motor system does not learn the dynamics of the arm by rote memorization of past experience.</a> Journal of Neurophysiology. 78, 554-554 (1997).</li><li>Krebs, H. I., Palazzolo, J. J., Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., Volpe, B. T., Hogan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rehabilitation+robotics:+Performance-based+progressive+robot-assisted+therapy.">Rehabilitation robotics: Performance-based progressive robot-assisted therapy.</a> Autonomous Robots. 15, 7-20 (2003).</li><li>Wei, K., Kording, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relevance+of+error:+what+drives+motor+adaptation.">Relevance of error: what drives motor adaptation.</a> Journal of neurophysiology. 101, 655-65 (2009).</li><li>Wei, Y., Bajaj, P., Scheidt, R., Patton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+error+augmentation+for+enhancing+motor+learning+and+rehabilitative+relearning.">Visual error augmentation for enhancing motor learning and rehabilitative relearning.</a> IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. , 505-510 (2005).</li></ol>

Las clases contenedoras en este tutorial están bajo derechos de autor por Ian Sharp.

Este método de aplicación contenedor de clase permite que diferentes tipos de robots que se utilizan, sin cambiar el código fuente, cuando se utiliza el H3DAPI. Específicamente, los investigadores que han escrito sus háptico / entorno gráfico en H3D y probado su experimento con un robot fantasma sería capaz de llevar a cabo el mismo experimento o similar con el WAM de Barrett, y viceversa. Este tipo de dispositivo cruzadas independientes de la comunicación lleva a consecuencias para la rehabilitación de la investigación robótica. Estas implicaciones facilitar háptica rápido / el desarrollo de gráficos, la colaboración internacional, y entre la investigación en comunicación de laboratorio. Rehabilitación robótica todavía tiene que descubrir los numerosos parámetros involucrados en el aprendizaje motor. Uno de los pasos de tiempo durante el háptico / desarrollo de gráficos incluye el tiempo de compilación. Con los parámetros de la rehabilitación numerosos, se combinaron con el tiempo de compilación para cada programa, el ciclo de vida de desarrollo para probar todas las permutaciones posibles del grupo se eleva rápidamente. H3D, con su ausencia de los requisitos de elaboración, permite el desarrollo rápido de numerosas escenas de realidad virtual. Esto viene como una ventaja para los investigadores que aspiran a explorar los efectos de los escenarios de formación. Las limitaciones de este &quot;hard-coded&quot; enfoque de integración envoltorio clase incluyen el hecho de que este procedimiento debe ser repetido cada vez que hay una nueva distribución de la H3DAPI. Posibles modificaciones a la integración de la clase de contenedor en su última distribución de la H3DAPI sería la creación de la clase de contenedor por separado de la H3DAPI. A continuación pondría a su clase de contenedor en un archivo de biblioteca *. so. Esto aislaría a la clase de la distribución original H3DAPI.

<ol><li> La pantalla de llamada de París (la realidad aumentada personal sistema de inmersión), se puede encontrar en <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> El robot gris grande es el WAM de Barrett: <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> El más pequeño, más delgado robot negro es el Phantom: <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> El montaje del brazo es el T-WREX, desarrollado en la RIC: <a href="http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx">http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx</a> </li><li> Las gafas de obturación para 3D Vision: <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> Jefe de seguimiento de software. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> El propio H3DAPI: <a href="http://www.h3dapi.org">www.h3dapi.org</a> </li></ol>

haptic/graphic rehabilitation: integrating a robot into a virtual environment library and applying it to stroke therapy

La investigación reciente que pone a prueba los dispositivos interactivos para la práctica de una terapia prolongada ha puesto de manifiesto nuevas perspectivas de la robótica se combina con formas gráficas y otras de biofeedback. Anterior humano-robot de sistemas interactivos que requieren los diferentes comandos de software que se aplicarán para cada robot que lleva a gastos innecesarios de tiempo de desarrollo de cada vez que un nuevo sistema esté disponible. Por ejemplo, cuando un háptico / entorno gráfico de realidad virtual ha sido codificado para un robot específico para proporcionar retroalimentación háptica, que el robot específico no sería capaz de ser cambiado por otro robot, sin volver a codificar el programa. Sin embargo, los recientes esfuerzos de la comunidad de código abierto han propuesto un enfoque de clase contenedora que se puede obtener respuestas casi idénticas independientemente del robot utilizado. El resultado puede llevar a los investigadores de todo el mundo para llevar a cabo experimentos similares con código compartido. Por lo tanto, modular &quot;el cambio fuera&quot; de un robot para otro no afectará el tiempo de desarrollo. En este artículo, se describe la creación e implementación exitosa de una clase contenedora para un robot en el H3DAPI de código abierto, que integra el software de comandos más utilizados por todos los robots.

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Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Recientemente, una gran cantidad de perspectivas han llegado disponible para el consumo humano-robot de sistemas interactivos. En este trabajo resumimos la integración de un nuevo dispositivo robótico con software de código abierto, que rápidamente se puede hacer posible una biblioteca de funciones interactivas. A continuación, esbozar una aplicación clínica para una aplicación de la neurorrehabilitación.

Haptic / Graphic Rehabilitación: La integración de un robot en un entorno virtual Biblioteca y su aplicación a la terapia de Carrera

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

hapticgraphic-rehabilitation-integrating-robot-into-virtual

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.7K vistas.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. Recientemente, una gran cantidad de perspectivas han llegado disponible para el consumo humano-robot de sistemas interactivos. En este trabajo resumimos la integración de un nuevo dispositivo robótico con software de código abierto, que rápidamente se puede hacer posible una biblioteca de funciones interactivas. A continuación, esbozar una aplicación clínica para una aplicación de la neurorrehabilitación.

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Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing radiation, millimeter spatial accuracy of anatomical and functional data 2, and nearly real-time analyses 3. Haptic robots provide precise measurement and control of position and force of a cursor in a reasonably confined space. Here we combine these two technologies to allow precision experiments involving motor control with haptic/tactile environment interaction such as reaching or grasping. The basic idea is to attach an 8 foot end effecter supported in the center to the robot 4 allowing the subject to use the robot, but shielding it and keeping it out of the most extreme part of the magnetic field from the fMRI machine (Figure 1).
The Phantom Premium 3.0, 6DoF, high-force robot (SensAble Technologies, Inc.) is an excellent choice for providing force-feedback in virtual reality experiments 5, 6, but it is inherently non-MR safe, introduces significant noise to the sensitive fMRI equipment, and its electric motors may be affected by the fMRI's strongly varying magnetic field. We have constructed a table and shielding system that allows the robot to be safely introduced into the fMRI environment and limits both the degradation of the fMRI signal by the electrically noisy motors and the degradation of the electric motor performance by the strongly varying magnetic field of the fMRI. With the shield, the signal to noise ratio (SNR: mean signal/noise standard deviation) of the fMRI goes from a baseline of &tilde;380 to &tilde;330, and &tilde;250 without the shielding. The remaining noise appears to be uncorrelated and does not add artifacts to the fMRI of a test sphere (Figure 2). The long, stiff handle allows placement of the robot out of range of the most strongly varying parts of the magnetic field so there is no significant effect of the fMRI on the robot. The effect of the handle on the robot's kinematics is minimal since it is lightweight (&tilde;2.6 lbs) but extremely stiff 3/4" graphite and well balanced on the 3DoF joint in the middle. The end result is an fMRI compatible, haptic system with about 1 cubic foot of working space, and, when combined with virtual reality, it allows for a new set of experiments to be performed in the fMRI environment including naturalistic reaching, passive displacement of the limb and haptic perception, adaptation learning in varying force fields, or texture identification 5, 6.

The adaptation and use of a haptic robot in a 3T fMRI is described.

Adaptación de un Robot Haptic en un fMRI 3T

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Investigación

Bioingeniería

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in parallel computing2,3 , recognize and bind molecular or cellular targets4,5 , catalyze chemical reactions6,7 , and generate calculated responses in a biological system8,9. Importantly, nucleic acids can be programmed to self-assemble into 2D and 3D structures10-12, enabling the integration of all these remarkable features in a single robot linking the sensing of biological cues to a preset response in order to exert a desired effect.
Creating shapes from nucleic acids was first proposed by Seeman13, and several variations on this theme have since been realized using various techniques11,12,14,15 . However, the most significant is perhaps the one proposed by Rothemund, termed scaffolded DNA origami16. In this technique, the folding of a long (&gt;7,000 bases) single-stranded DNA 'scaffold' is directed to a desired shape by hundreds of short complementary strands termed 'staples'. Folding is carried out by temperature annealing ramp. This technique was successfully demonstrated in the creation of a diverse array of 2D shapes with remarkable precision and robustness. DNA origami was later extended to 3D as well17,18 .
 
The current paper will focus on the caDNAno 2.0 software19 developed by Douglas and colleagues. caDNAno is a robust, user-friendly CAD tool enabling the design of 2D and 3D DNA origami shapes with versatile features. The design process relies on a systematic and accurate abstraction scheme for DNA structures, making it relatively straightforward and efficient.
In this paper we demonstrate the design of a DNA origami nanorobot that has been recently described20. This robot is 'robotic' in the sense that it links sensing to actuation, in order to perform a task. We explain how various sensing schemes can be integrated into the structure, and how this can be relayed to a desired effect. Finally we use Cando21 to simulate the mechanical properties of the designed shape. The concept we discuss can be adapted to multiple tasks and settings.

DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here, we describe how DNA origami can be utilized to design a robotic robot capable of sensing biological cues and responding by shape shifting, subsequently relayed to a desired effect.

Diseño de un Robot Bio-respuesta a partir del ADN Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

Un método para evaluar puntualidad y la exactitud de las respuestas Volitiva Motorizados para vibrotáctil Estímulos

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor analytes against the background of human serum are crucial.
Nanoimprinting lithography (NIL) was used to fabricate, at a low cost, sensing areas as large as 1.5 mm x 1.5 mm. The sensing surface was made of high-fidelity arrays of nanoholes, each with an area of about 140 nm2. The great reproducibility of NIL made it possible to employ a one-chip, one-measurement strategy on 12 individually manufactured surfaces, with minimal chip-to-chip variation. These nanoimprinted localized surface plasmon resonance (LSPR) chips were extensively tested on their ability to reliably measure a bioanalyte at concentrations varying from 2.5 to 75 ng/mL amidst the background of a complex biofluid-in this case, human serum. The high fidelity of NIL enables the generation of large sensing areas, which in turn eliminates the need for a microscope, as this biosensor can be easily interfaced with a commonly available laboratory light source. These biosensors can detect cardiac troponin in serum with a high sensitivity, at a limit of detection (LOD) of 0.55 ng/mL, which is clinically relevant. They also show low chip-to-chip variance (due to the high quality of the fabrication process). The results are commensurable with widely used enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based assays, but the technique retains the advantages of an LSPR-based sensing platform (i.e., amenability to miniaturization and multiplexing, making it more feasible for POC applications).

This work describes a nanoimprinting lithography method to fabricate high-quality sensing arrays that work on the principle of extraordinary optical transmission. The biosensor is low-cost, robust, easy to use, and can detect cardiac troponin I in serum at clinically relevant concentrations (99th percentile cutoff &#8764;10-400 pg/mL, depending on the assay).

Uso de transmisión óptica extraordinaria para cuantificar marcadores cardíacos en suero humano

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

Nanotubos de ADN como una herramienta versátil para el estudio de polímeros Semiflexible

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or lethality. However, the probability of a synthetic small molecule being bioactive is low; therefore, thousands of molecules must be tested in order to find those of interest. Liquid handling robotics systems are designed to handle large numbers of samples, increasing the speed with which a chemical library can be screened in addition to minimizing/standardizing error. To achieve a high-throughput forward chemical genetics screen of a library of 50,000 small molecules on Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), protocols using a bench-top multichannel liquid handling robot were developed that require minimal technician involvement. With these protocols, 3,271 small molecules were discovered that caused visible phenotypic alterations. 1,563 compounds induced short roots, 1,148 compounds altered coloration, 383 compounds caused root hair and other, non-categorized, alterations, and 177 compounds inhibited germination.

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

A high throughput screen of synthetic small molecules was conducted on the model plant species, Arabidopsis thaliana. This protocol, developed for a liquid handling robot, increases the speed of forward chemical genetics screens, accelerating the discovery of novel small molecules affecting plant physiology.

Optimizar el uso de un Robot de manipulación de líquidos para llevar a cabo un alto rendimiento adelante química genética pantalla de Arabidopsis thaliana

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or ...

A Converging Strategy for the Generation of a Virtually Sequenced cDNA Library from Unreferenced Pacific Oysters

The access to biological material of reference species, which were used previously in key experiments such as in the development of novel cell lines or genome sequencing projects, are often difficult to provide for further studies or third parties due to the consumptive nature of the samples. Although now widely distributed over the Pacific coasts of Asia, Australia and North America, individual Pacific oyster specimens are genetically quite diverse and are therefore not directly suitable as the starting material for gene libraries. In this article, we demonstrate the use of unreferenced Pacific oyster specimens obtained from regional seafood markets to generate cDNA libraries. These libraries were then compared to the publicly available oyster genome, and the closest related library was selected using the mitochondrial reference genes Cytochrome C Oxidase subunit I (COX1) and NADH Dehydrogenase (ND). The suitability of the generated cDNA library is also demonstrated by cloning and expression of two genes encoding the enzymes UDP-glucuronic acid dehydrogenase (UGD) and UDP-xylose synthase (UXS), which are responsible for the biosynthesis of UDP-xylose from UDP-glucose.

We describe a strategy for how to use RNA samples from unreferenced Pacific oyster specimens, and evaluate the genetic material by comparison with publicly available genome data to generate a virtually sequenced cDNA library.

Una estrategia convergente para la generación de una biblioteca de ADNc virtualmente secuenciada a partir de ostras del Pacífico sin referencia

The access to biological material of reference species, which were used previously in key experiments such as in the development of novel cell lines or ...

Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced antibiotic resistance, which poses potential health dangers, but can also be beneficial for environmental applications such as purification of drinking water. The further development of anti-bacterial therapeutics and biofilm-inspired applications will require the development of reproducible, engineerable methods for biofilm creation. Recently, a novel method of biofilm preparation using a modified three-dimensional (3D) printer with a bacterial ink has been developed. This article describes the steps necessary to build this efficient, low-cost 3D bioprinter that offers multiple applications in bacterially-induced materials processing. The protocol begins with an adapted commercial 3D printer in which the extruder has been replaced with a bio-ink dispenser connected to a syringe pump system enabling a controllable, continuous flow of bio-ink. To develop a bio-ink suitable for biofilm printing, engineered Escherichia coli bacteria were suspended in a solution of alginate, so that they solidify in contact with a surface containing calcium. The inclusion of an inducer chemical within the printing substrate drives expression of biofilm proteins within the printed bio-ink. This method enables 3D printing of various spatial patterns composed of discrete layers of printed biofilms. Such spatially-controlled biofilms can serve as model systems and can find applications in multiple fields that have a wide-ranging impact on society, including antibiotic resistance prevention or drinking water purification, among others.

This article describes a method of transforming a low-cost commercial 3D printer into a bacterial 3D printer that can facilitate printing of patterned biofilms. All necessary aspects of preparing the bioprinter and bio-ink are described, as well as verification methods to assess the formation of biofilms.

El patrón tridimensional de biofilms de ingeniería con un Bioprinter hágalo usted mismo

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced ...

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

Dispositivo robótico isocinético para mejorar la fiabilidad de la prueba y el intertasador para las mediciones de reflejo de estiramiento en pacientes con accidente cerebrovascular con espasticidad

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

Configuración de un dispositivo microfluídico para la producción de tapones combinatorios

Bilayer Microfluidic Device for Combinatorial Plug Production

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such systems have been used to encapsulate a variety of biochemical reactions - from incubation of single cells to implementation of PCR reactions, from genomics to chemical synthesis. Coupling the microfluidic channels with regulatory valves allows control over their opening and closing, thereby enabling the rapid production of large-scale combinatorial libraries consisting of a population of droplets with unique compositions. In this paper, protocols for the fabrication and operation of a pressure-driven, PDMS-based bilayer microfluidic device that can be utilized to generate combinatorial libraries of water-in-oil emulsions called plugs are presented. By incorporating software programs and microfluidic hardware, the flow of desired fluids in the device can be controlled and manipulated to generate combinatorial plug libraries and to control the composition and quantity of constituent plug populations. These protocols will expedite the process of generating combinatorial screens, particularly to study drug response in cells from cancer patient biopsies.

Autor destacado: Integración de enfoques computacionales y experimentales en oncología de precisión

The fabrication of a polydimethylsiloxane (PDMS)-based bilayer device for the production of combinatorial libraries in water-in-oil emulsions (plugs) is presented here. The necessary hardware and software required to automate plug production are detailed in the protocol, and the production of a quantitative library of fluorescent plugs is also demonstrated.

Dispositivo microfluídico bicapa para la producción de tapones combinatorios

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such ...