私はブライアンZenowich、ダニエルEvestedtとWinsean林の技術的な助けに感謝します。

はじめ直感的で効率的なインタラクティブな環境のためのヒューマンマシンインタラクション（HMI）のすべてのニーズが高まっています。リハビリテーション用ロボット、自動車産業、金属の製造、包装機械、医薬品、食品、飲料、およびユーティリティ：多くの産業は、次のようなHMIに、より大きく依存し続ける。これらの業界で採用技術が含まれます：表示端末、パーソナルコンピュータ、およびHMIソフトウェア。これらの技術は、無制限の機能を実行するために組み合わせることができます。 ロボットは、音楽講師としてなど、ユーザーと直接対話を促進するために使用されることがあります。例えば、早稲田大学の研究者は、再生する方法を人々に教えるために、学生と教師1の間の相互作用を理解するためにサックスを演奏するロボットを作成しました。他のロボット研究者は人工知能は環境2のインテリジェントな相互作用に発展するかもしれないか決定するために、ビジョンベースの飛行ロボットを行っている。このホワイトペーパーの特定の濃度は、リハビリ用ロボット内に存在する。 研究と産業の領域内に、新製品やユーザー要件の変化の速いペースで成長を続けている。これらの要求は、スケーラビリティに大きな課題を課す。したがって、コード設計は、タイムリーに、これらのエンティティのニーズを満たすのに不可欠となっています。したがって、強力なアーキテクチャの候補者の質は、ドライバのサポートが含まれて簡単に交換可能なグラフィックロボットシステムが含まれます。 H3DAPIアーキテクチャは、これらのニーズを満たしているため、ラッパークラスが作成されました。さらに、H3Dは、リハビリ用ロボットに必要な、仮想現実の環境用に設計されています。 神経リハビリテーションロボティクス、リハビリテーションの専門家を支援する目的のためにロボットを活用しようとしています。これらのロボットが提供する支援は、フォースフィールドの形式で提供されます。外部から印加される力場のようなShadmehrとMussa -イバルディ、使用される力の場のモータの適応を促進するために、そして1を発見したとして渡されたモータコマンドの研究者）の適応が）を含めて動きの異なるクラスで発生するが、到達運動に限定されない、と2適応は、外部フィールドの3の同じ地域を訪問し、異なる動きを越えて一般化する。パフォーマンスベースのプログレッシブロボット介在療法における生体力学的なエンジニアからの研究は、繰り返し、タスク固有の、目標指向は、ロボット介在療法は、脳卒中4の後に、影響を受けた腕の運動障害を低減するのに有効であることを示していますが、正確な治療効果とパラメータ研究の分野であり続ける。 感覚フィードバックは、学習や適応に影響を与えます。したがって、次の論理的な質問は、人為的にそのようなフィードバックの大きさを大きくすると学習/適応速く以上完全促進するかどうかを尋ねるだろう。一部の研究者は、ミスを高めるために大きな感覚フィードバック力や視覚的な手掛かりを適用すると適応/学習5,6のより高いレベルを促進するために十分な神経学的な刺激を提供できることを見出した。これは、&quot;エラーの増大&quot;として知られています。この現象は、モータの制御動作の一度だけの成果が理想から外れているという事実に起因するかもしれない、私たちの内部モデルを自己調整誤差の大きさに応じて。その結果、私たちの内部モデルとして、外部環境、タスクの減少の実行中にエラーが近づく。 多くの現在の医療政策はセラピストとの時間を過ごすことができる時間の患者の量を制限するものの研究は、機能の回復のための機能的に関連する活動の長期実践をサポートし続けています。説得力のある質問は、技術のこれらの新しいアプリケーションは、単にケアの現在の状態のより高い用量を与えるよりも先に進むことができるかどうかです。人間と機械の相互作用の研究は、運動学習の分野で新たな展望を明らかにした、といくつかのケースでは治療のプロセスに付加価値を提供することができます。コンピュータディスプレイとの組み合わせに特化ロボットデバイスは、モータの再学習を、スピードアップの強化、またはトリガするために、エラーのフィードバックを増やすことができます。本稿ではこの技術の応用の一例として、臨床的介入の​​ために開発されたシステムを使用しての方法論を紹介します。 1。ロボットのためHAPIラッパークラスの確立<ol><li>独自の。cppファイルおよびヘッダファイルを作成することにより、HAPIハプティックスライブラリのラッパーを作成します。例えば、我々は、名前のHAPIWAM.cppとHAPIWAM.hを使用します。 </li><li>ソースディレクトリに入れますHAPIWAM.cpp：HAPI / srcに</li><li>ヘッダファイルのディレクトリに配置HAPIWAM.h：HAPI /インクルード/ HAPI </li><li> HAPIWAM.hの上部に、なるWAMバレット、の場合には、あなたのロボットのメインヘッダーファイル（複数可）が含まれます： </li></ol> &lt;EM&gt;をextern&quot;C&quot;{ ＃&lt;include/btwam.h&gt;含まれています } ＃&lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt;含まれています 注：付属のライブラリは、&#39;C&#39;とH3DAPIで書かれているためにextern&quot;C&quot;は、コンパイラのマングリングを解決するために必要なC + +で書かれ。 <ol start="5"><li> HAPIWAM.hでは、あなたのクラスを作成し、次の4つの機能が含まれています</li></ol> ブール値initHapticsDevice（int型）; ブール値releaseHapticsDevice（）; ボイドupdateDeviceValues（DeviceValues＆DV、HAPITime DT）; ボイドsendOutput（HAPIHapticsDevice：：DeviceOutput＆D、HAPITime t）は; <ol start="6"><li>あなたのクラスがHAPIhapticsdeviceクラスから公に継承することを確認してください。 </li><li>あなたのクラスのヘッダーのガードを作成します。 </li><li> HAPIWAMクラスの下の静的DeviceOutputと静的HapticsDeviceRegistration属性を作成します。 </li><li>コー​​ルバック用の静的メンバ関数を作成します。 </li><li> HAPIWAM.cppで、コンストラクタとデストラクタを定義します。 </li><li> HAPIWAM.cppでデバイスを登録してください。 </li><li> HAPIWAM.cppであなたの4継承された関数とコールバックを定義します。 </li></ol> 2。 HAPIライブラリの作成<ol><li>我々はHAPIのラッパークラスを作成したので、我々は、HAPIライブラリにあなたのラッパーを構築する必要があります。 WAMはH3DAPIはその生の形式に依存しないいくつかのライブラリに依存し、従ってこれらのライブラリは、HAPIに追加する必要があります。 HAPI / HAPI /ビルドに移動し、CMakeLists.txtを編集します。 &#39;SET（OptionalLibs）&quot;という行の後に依存ライブラリを追加します。 </li><li>コマンドコンソールを開き、次の場所に移動します。HAPI / HAPI /ビルドと次の順序で3つのコマンドを入力します。 </li></ol> cmakeの。 sudoは行う sudoはmake installを 3。 H3Dラッパークラス<ol><li>あなたのHAPIWAMでH3Dライブラリのラッパークラスを作成するには、最初にソースディレクトリにWAMDevice.cppを作成します。H3DAPI/srcを</li><li>ヘッダファイルのディレクトリに配置WAMDevice.h：H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.hはあなたが好きに置き換えた名前で、すべてのH3DAPIデバイス用の標準ヘッダファイルを含める必要があります。 </li><li> WAMDevice.cpp何でも好きなものに置き換えた名前で、すべてのH3DAPIデバイスの標準的なソースが含まれている必要があります。 </li><li>ラッパークラスが作成されたので、H3DAPIライブラリを再構築。 H3DAPI/build：のみディレクトリの下に、ステップ2.1で実行されたのと同じ方法でCMakeLists.txtを編集することによってこれを行います。 </li><li>ディレクトリH3DAPI/build下H3DAPIライブラリを再構築</li></ol> cmakeの。 sudoは行う sudoはmake installを 4。有限状態マシン<ol><li>すべてのターゲットに及ぶプログラムは、実験プロトコルや練習の政体を制御するための有限状態マシンを作成する必要があります。代表的なステートマシンは、次のとおりです。トライアルのスタート、打ち上げ、ターゲットの連絡先、および試用版の終了を。各状態、および状態の間で転送するための基準の関数の例を以下に示します。 </li><li>試験の開始は、ターゲットの割り当てが必要になります。ターゲットの位置は、各試行ごとにランダムに設定することができますまたはファイルから設定することができます。試験の開始は、一度ユーザーが速度しきい値、毎秒通常は0.06メートル上記の目標に向かって打ち上げている終わります。 </li><li>起動状態は、試験開始後に発生します。ユーザーがターゲットに触れるか一定時間、ターゲットの内側に留まると、この状態はどちら終了します。ターゲットをタッチされると、これはターゲットの連絡先の状態が有効になります。 </li><li>ターゲットのお問い合わせは、起動状態の間に発生します。被験者が一定の期間内のターゲット内に存在した後、ターゲットが触れたりされるとすぐに終了することがあります。この時間が経過すると、試用版の状態の終了が有効になっています。 </li><li>試用状態の終了は、ソフトウェア開発者は、各試験の終わりを区切るために、使用した構文解析するものは何でも、データファイルをマークするためにデータ収集ソフトウェアを通知する必要があります。最後の試験が完了している場合を除き、試験状態の終わりの終わりは、試用版の状態の開始を可能にします。 </li></ol> 5。アプリケーション：脳卒中患者のリハビリテーション<ol><li>ロボットインタフェースは、そうでなければ行うことができない何かを有効にするためにロボットを使用しながら、セラピストの専門知識を含むように設計されています。いくつかの既知の理由により、再学習のプロセス（図1）を向上させる患者によって知覚誤差を拡大エラーの増大、、の技術を有効にアプリケーション（詳細は後述）。 </li><li>三次元触覚/グラフィックシステムは、バーチャルリアリティ、ロボットと光操作機（VRROOM）と呼ばれる。このシステムは、以前に6を示したが、投影ステレオ、手首の位置を記録し、力のベクトルを（図2）生成されたロボットシステムと半銀ミラーのオーバーレイディスプレイのヘッド追跡レンダリングを組み合わせる。 </li><li>シネマ品質のディgitalプロジェクター（クリスティミラージュ3000 DLP）が110 °広視野角で、その結果、5フィートワイド1280 × 1024ピクセルのディスプレイにまたがる画像を表示します。赤外線エミッターは、液晶ディスプレイ（LCD）シャッターメガネ（ステレオグラフィックス株式会社）を介して別個の左と右眼の画像を同期。アセンションは、視覚的なディスプレイが適切なヘッドを中心とした視点でレンダリングされたように、磁気素子は、ヘッドの動きを追跡鳥の群れ。 </li><li>研究のために予選の際、各参加者の機能的能力は、それぞれの後の一週間のフォローアップと全体の45日間のフォローアップ評価でそれぞれの治療のパラダイムの開始と終了時にブラインド評価者により評価した。各評価は含めVRROOMだけでなく、臨床評価で行われる運動（ROM）評価の範囲から成っていた：ボックスおよびブロックアセスメント、ウルフ運動機能テスト（WMFT）、Fugl - マイヤー（AMFM）のアームのモーター部、およびシンプルな機能リーチ（ASFR）の評価。 </li><li>手首の添え木とexotendon手袋は中立手首と手の位置合わせを支援するために利用された。ロボットハンドルのセンターが前腕に装着したその力は、手首で行動したが、手で動きを許可するように橈骨手根関節の後方に置かれた。 </li><li>患者の腕の重量がバネ駆動ウィルミントンロボット外骨格（WREX）重力バランス装具を用いて軽減された。患者さんの指示の目標は、彼らの前に提示カーソルがセラピストの手（セラピストの遠隔操作）で追跡装置を経由して移動追いかけていました。 </li><li>患者は患​​者、セラピスト、そしてトリオで一緒に働くロボットで、約40〜60分間、週三日の練習。件名とセラピストがside - by - side座って、そして件名は手首でロボットに接続されていた。 </li><li>各セッションは、マシンに患者を置くことで約10分、続いセラピストによる動きのエクササイズの受動的な範囲（PROM）、の5分で始まった。被験者は、その後5分ごとに各ブロックの間に2分間の休息期間が続く運動トレーニングの6ブロックを完了した。 </li><li>研修中、参加者は、ステレオのディスプレイ上の2つのカーソルを表示。参加者が他を支配しながら治療するセラピストは、つのカーソルを操作する。患者は、それはワークスペース全体に移動したとしてセラピストのカーソルの正確なパスに従うように指示された。 </li><li>エラーの増大は、視覚的にもロボットによって生じる力によって提供されていました。参加者がセラピストのカーソルから逸脱したとき、瞬時誤差ベクトルeは、セラピストのカーソルと参加者の手との間の位置の違いとして設立されました。エラーが視覚的にエラーの増強の一環として、1.5 E（M）の要因によって拡大された。さらに、100 E（N / m）の誤差増大させる力は、安全上の理由から4 Nの最大値で飽和するようにプログラムされた、適用された。 </li><li>すべての他の治療法のブロックは、各セッションで同じであった特定の、標準化の動きから成っていた。他のブロックは、セラピストは、セラピストの専門知識とそれらの観察に基づいて、弱点の特定の領域で研修をカスタマイズすることができました。前方に含むと側面が到達する、肩、肘のカップリング、そして身体全体に達する対角線、治療プロトコルは、すべての参加者のための特定の動きの練習が含まれています。 </li><li>練習しながら、日々の中央値誤差は、実践の一つの結果として測定した。特別な注意がセッションごとに同じであった標準化の動きのブロックに与えられた。これらは、任意の増分の改善が患者に報告できる日々、、セラピスト、そして介護者（図3）で観察することができるかどうかを決定する前の日と比較した。 </li><li>結果の主な施策は、利益の保持を決定するために1週間、治療の終了後、毎週測定、および45日後にされた。主要な成果はFugl - Meyerの運動能力の得点と運動の範囲を測定し、カスタマイズアームリーチテストだった。 </li></ol> 6。代表的な結果： &lt;AnyDevice&gt;ノードがH3DViewerまたはH3DLoadにロードされると、プロトコルが正しく行われると、その後、WAMデバイスが認識され、開始する必要があります。 WAMは、別のロボットに置き換えていた場合は、コード自体を変更する必要はない。 <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="図1"/> 触覚/グラフィック装置に座っている図1。件名。 <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="図2"/> 触覚/理学療法士とのグラフィック装置に座っている図2。件名。 <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="図3"/> 図3。リハビリテーションO用の設定F脳卒中患者。一緒に働くA）の対象とセラピスト、装着され、動きを練習するために大規模ワークスペースハプティック/グラフィックディスプレイを使用して。セラピストは、サブジェクトのキューを提供し、患者のニーズに合わせて調節できる。ロボットは、離れてターゲットから手足をプッシュ力を提供し、視覚フィードバックシステムは、カーソルのエラーを高めます。日から日までB）典型的な慢性脳卒中患者の改善。各ドットは、ステレオタイプの機能運動の2分のブロックのために測定された中央値エラーを表します。患者は2週間の期間にわたって進行し、総合的な利点を示していますが、この人は常に毎日改善しなかった。

<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>

このチュートリアルでラッパークラスは、イアンシャープで、著作権のある。

ラッパークラスの実装のこのメソッドは、H3DAPIを使用する場合は、ソースコードを変更することなく、使用する別のロボットが可能になります。具体的には、H3Dで彼らの触覚/グラフィック環境を書かれ、ファントムのロボットで、その実験をテストした研究者は、WAMバレット、およびその逆を使用して、同じまたは同様の実験を行うことができるだろう。デバイスに依存しないクロスコミュニケーションのこのタイプは、国際的リハビリテーションロボットの研究のための含意を運びます。そのような意味合いでは急速な触覚/グラフィック開発、国際共同研究、および間研究室のコミュニケーションを促進する。 リハビリテーションロボットは、運動学習に関与して多数のパラメータを明らかにまだ持っています。触覚/グラフィックスを開発する際に時間のかかるステップの一つは、コンパイル時間が含まれています。各プログラムのコンパイル時間を配合した数多くのリハビリテーションのパラメータを持つ、すべての可能なグループの組み合わせをテストするために、開発ライフサイクルが急激に上昇。コンパイル要件のその不在とH3Dは、多数の仮想現実シーンの迅速な開発が可能になります。これは、様々な訓練のシナリオの効果を調べるために目指すもの研究者のための利点として提供されます。 この&quot;ハードコードラッパークラスの統合アプローチの限界は、この手順はH3DAPIの新しいディストリビューションがあるたびに繰り返す必要があるという事実が含まれています。 H3DAPIの最新ディストリビューションにラッパークラスを統合するための実行可能な変更はH3DAPIとは別にラッパークラスを作成することです。次に、*.ので、ライブラリファイルにあなたのラッパークラスをかけることになります。これは、元のH3DAPIのディストリビューションからクラスを分離するだろう。

<ol><li>パリ（個人的な拡張現実の液浸システム）、という表示がで見つけることができます<a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li>大きな灰色のロボットは、WAMバレットです。 <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li>小さ ​​く、skinnier黒いロボットはファントムです。 <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li>アームマウントはRICで開発されたT - WREX、次のとおりです。 <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> 3D Visionのシャッターメガネ： <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li>ヘッドトラッキングソフトウェア。 <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> H3DAPI自体： <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

長期治療の​​実践のための対話型デバイスをテストする最近の研究では、バイオフィードバックのグラフィックや他の形態と組み合わせてロボットのための新たな展望を明らかにした。前の人間とロボットの対話型システムでは、新しいシステムが利用可能になるたびに不要な発達オーバーヘッドの時間に至る各ロボットに実装するさまざまなソフトウェアコマンドを必要としてきた。例えば、触覚/グラフィック仮想現実環境は触覚フィードバックを提供するために、ある特定のロボット用にコーディングされている場合、その特定のロボットは、プログラムをコーディングすることなく別のロボットのために取引されることができないだろう。しかし、オープンソースコミュニティの最近の努力に関係なく使用されるロボットのほぼ同じ応答を引き出すことができるラッパークラスのアプローチを提案した。その結果、共有コードを使用して同様の実験を行うために、世界中の研究者を導くことができる。したがって、もう一台のロボットの&quot;アウトスイッチング&quot;モジュラーは、開発時間には影響しません。本稿では、ソフトウェアは最も一般的にすべてのロボットが使用されるコマンドに統合するオープンソースH3DAPI、への1つのロボットのためのラッパークラスの作成に成功したと実装の概要を示します。

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

最近では、見通しの膨大な量は、人間とロボットの対話的なシステムに利用可能なってきた。本稿では、急速にインタラクティブ機能の可能なライブラリを作ることができるオープンソースソフトウェアを使用して、新しいロボットデバイスの統合の概要を説明します。私たちは、その後、神経リハビリテーションのアプリケーションのための臨床応用を概説する。

触覚/グラフィックリハビリテーション：仮想環境のライブラリにロボットを統合し、脳卒中治療に適用すること

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 ビュー.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. 最近では、見通しの膨大な量は、人間とロボットの対話的なシステムに利用可能なってきた。本稿では、急速にインタラクティブ機能の可能なライブラリを作ることができるオープンソースソフトウェアを使用して、新しいロボットデバイスの統合の概要を説明します。私たちは、その後、神経リハビリテーションのアプリケーションのための臨床応用?...

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

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.

3TのfMRIの中の触覚ロボットの適応

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

生物工学

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.

DNA折り紙からバイオ応答ロボットの設計

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.

振動触覚刺激に随意運動反応の適時性と精度の評価方法

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).

ひと血清における心筋バイオ マーカーを定量化する臨時の光伝送を使用してください。

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.

セミフレキシブル高分子を研究する多目的ツールとして DNA ナノチューブ

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.

高スループット転送化学遺伝学の画面シロイヌナズナを行う液体処理ロボットの使用を最適化します。

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.

参照されていない太平洋カキからの仮想配列cDNAライブラリの生成のための収束戦略

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.

Bioprinter で設計されたバイオフィルムの三次元パターン化

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.

痙攣性脳卒中患者におけるストレッチ反射測定のテスト再テストと評価間信頼性を向上させるアイソキネティックロボット装置

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

コンビナトリアルプラグ製造のためのマイクロ流体デバイスの構築

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.

著者スポットライト:Precision Oncologyにおける計算アプローチと実験的アプローチの統合

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.

コンビナトリアルプラグ製造のための二層マイクロ流体デバイス

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