난 브라이언 Zenowich, 다니엘 Evestedt 및 Winsean 린의 기술적 도움을 인정하고 싶습니다.

소개 직관적이고 효율적인 대화형 환경을위한 인간 - 기계 상호 작용 (HMI)의 모든 성장 필요가있다. 재활 로봇, 자동차 산업, 금속 제조, 포장 기계, 제약, 식품, 음료, 및 유틸리티 : 수많은 산업과 같은 HMI에 더 많이 의존을 계속합니다. 이러한 산업에 고용 기술은 다음과 같습니다 표시 단말기, 개인용 컴퓨터, 그리고 HMI 소프트웨어를. 이러한 기술은 무제한으로 기능을 수행하기 위해 함께 결합 수 있습니다. 로봇은 이런 음악 강사 역할로서 사용자와 직접 상호 작용을 촉진하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 와세다 대학에서 연구자가 재생하는 방법을 사람들에게 가르쳐하고 학생과 교사 1 사이의 상호 작용을 이해하기 위해 색소폰을 연주 로봇을 만들었습니다. 기타 로봇 연구자들은 인공 지능은 환경 2 지능적 상호 작용으로 진화 방법을 결정할 수 있습니다 위해서는 비전 기반의 비행 로봇을 만들었습니다. 이 문서의 특정 농도는 재활 로봇 내에 상주합니다. 연구와 산업의 영역 내에서 새로운 제품 및 사용자 요구 사항에 변화의 빠른 속도는 성장을 계속하고 있습니다. 이러한 요구는 확장성에 큰 도전을 부과. 따라서 코드 디자인은 적시에 이들 단체의 요구를 충족시키는 필수가되었습니다. 따라서 강한 건축 후보의 품질은 드라이버 지원을 포함 쉽게 호환 그래픽 - 로봇 시스템을 포함합니다. H3DAPI 아키텍처는 이러한 요구 사항을 충족하기 때문에 래퍼 클래스가 생성되었습니다. 또한, H3D 그러한 재활 로봇에 필요한 것과 같은 가상 현실 환경을 위해 설계되었습니다. 신경 재활 로봇은 재활 전문가를 지원하기위한 목적으로 로봇을 활용 찾고 있습니다. 이러한 로봇들이 제공하는 지원은 힘 - 필드의 형태로 제공됩니다. 외부 응용 역장 이러한 Shadmehr 및 Mussa - Ivaldi, 사용하는 힘 - 분야 모터 적응을 촉진하고, 1을 발견로 전달 모터 명령 연구원) 적응이)를 포함하여 움직임의 다른 클래스에서 발생하지만, 도달 움직임에 국한되지, 2 적응은 외부 필드 3의 동일한 영역을 방문하여 다양한 움직임에 걸쳐 generalizes. 성능 기반 프로 그레시브 로봇 이용한 치료에 biomechanical 엔지니어 연구는 반복 작업 특정 목표 - 감독이 로봇 이용한 치료는 뇌졸중 사 후 영향을 팔에 모터 손상을 감소시키는 효과가 나타나지만 정확한 치료 효과와 매개 변수 연구 분야로 계속 진행합니다. 감각의 의견은 학습과 적응에 영향을 미칩니다. 따라서 다음 논리적인 질문은 여부를 인공적으로 같은 의견의 크기를 증가하지 것이 더 빠른이나 학습 / 적응보다 완벽한 추진 것이 요청하는 것입니다. 일부 연구자들은 실수를 향상시키기 위해보다 감각 피드백 세력 또는 Visual 단서를 적용하면 적응 / 학습 5,6의 높은 수준을 증진하기위한 적절한 신경 자극을 제공할 수 것으로 나타났습니다. 이것은 &quot;오류 확대&quot;로 알려져 있습니다. 이러한 현상은 모터 제어 작업을 한 결과가 이상 이탈 사실 때문일 수 있습니다, 우리의 내부 모델을 자체 조정 오류의 정도에 따라. 따라서, 우리의 내부 모델과 외부 환경, 작업 감소의 실행에 오류가 접근한다. 많은 현재의 의료 정책 치료사와 함께 시간을 보낼 수있는 시간 환자의 크기를 제한하지만 연구는, 함수의 복원을위한 기능 관련 활동의 오랜 관행을 계속 지원합니다. 매력적인 문제는 기술이 새로운 응용 프로그램이 단순히 치료의 현재 상태의 높은 복용량을주는 것보다 더 갈 수 있는지 여부입니다. 인간 - 기계 상호 작용 연구는 모터 학습의 분야에서 새로운 잠재 고객을 밝혀 있고, 어떤 경우에 치료 과정에 가치를 추가 제공할 수 있습니다. 컴퓨터 디스플레이와 함께 전문 로봇 장치는 모터 relearning를 속도를 향상하거나 실행하려면 오류 피드백을 확대하실 수 있습니다. 본 논문은이 기술의 응용 중 하나의 예제로서 임상 개입에 개발된 시스템을 사용하는 방법론을 제시합니다. 1. 로봇에 대한 환대의 래퍼 클래스를 구축 <ol><li> 자신의. CPP와 헤더 파일을 생성하여 동상 촉각 라이브러리 래퍼를 만듭니다. 예를 들어, 우리는 이름 HAPIWAM.cpp과 HAPIWAM.h를 사용합니다. </li><li> 소스가있는 디렉토리로 플레이스 HAPIWAM.cpp : 하피 / SRC </li><li> 헤더 파일 디렉터리에 플레이스 HAPIWAM.h : 하피 / 포함 / 동상 </li><li> HAPIWAM.h 상단 될 WAM 바렛의 경우, 로봇의 기본 헤더 파일 (들)과 같습니다 : </li></ol> &lt;em&gt;는 통근자 &quot;C&quot;{ # &lt;include/btwam.h&gt; 포함 } # &lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt; 포함 참고 : 통근자 포함된 라이브러리가 &#39;C&#39;로 작성된 때문에 &quot;C&quot;는 컴파일러 mangling를 해결하기 위해 필요하며 H3DAPI가로 작성된 C + +. <ol start="5"><li> HAPIWAM.h에서 해당 클래스를 만들려면 다음과 같은 네 기능을 포함 </li></ol> 불 initHapticsDevice (INT); 불 releaseHapticsDevice (); 공극 updateDeviceValues ​​(DeviceValues ​​&amp; DV, HAPITime DT); 무효 sendOutput (HAPIHapticsDevice : DeviceOutput &amp; D, HAPITime t); <ol start="6"><li> 수업은 HAPIhapticsdevice 클래스에서 상속 공개 있는지 확인하십시오. </li><li> 여러분의 클래스에 대한 헤더 가드를 만듭니다. </li><li> HAPIWAM 클래스에 따라 정적 DeviceOutput 및 정적 HapticsDeviceRegistration 속성을 만듭니다. </li><li> 콜백에 대한 정적 멤버 함수를 만듭니다. </li><li> HAPIWAM.cpp에서 생성자와 소멸자를 정의합니다. </li><li> HAPIWAM.cpp에 장치를 등록합니다. </li><li> HAPIWAM.cpp에 4 상속된 함수와 콜백을 정의합니다. </li></ol> 2. 하피 도서관 만들기 <ol><li> 우리가 동상의 래퍼 클래스를 만들었다면, 우리는 동상을 라이브러리에 래퍼를 작성해야합니다. WAM은 H3DAPI는 원시 형태에 의존하지 않는 라이브러리에 의존, 따라서 이러한 라이브러리는 동상을 추가해야합니다. 하피 / 동상 / 건설로 이동하고, CMakeLists.txt를 편집할 수 있습니다. &#39;SET (OptionalLibs)&#39;라고 선을 후 종속 라이브러리를 추가합니다. </li><li> 명령 콘솔을 열고로 이동 : 하피 / 동상은 / 구축이 순서에 따라 다음의 3 명령을 입력 : </li></ol> cmake. sudo는 만들 sudo는 설치하다 3. H3D 래퍼 클래스 <ol><li> 귀하의 HAPIWAM와 H3D 라이브러리에 대한 래퍼 클래스를 생성하려면, 먼저 소스 디렉토리에 WAMDevice.cpp를 만듭니다 H3DAPI/src을 </li><li> 헤더 파일 디렉터리에 플레이스 WAMDevice.h : H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h 네가 원하는 건 뭐든지에 대체 이름을 가진 모든 H3DAPI 장치의 표준 헤더 파일을 포함해야합니다. </li><li> WAMDevice.cpp 네가 원하는 건 뭐든지에 대체 이름을 가진 모든 H3DAPI 장치에 대한 표준 소스를 포함해야합니다. </li><li> 래퍼 클래스가 생성되었습니다 이제, H3DAPI 라이브러리를 다시 빌드합니다. H3DAPI/build에만 디렉터리 아래의 단계 2.1 수행된 동일한 방법으로 CMakeLists.txt을 편집하여이 작업을 수행합니다. </li><li> 디렉토리 H3DAPI/build 아래 H3DAPI 라이브러리를 다시 빌드 </li></ol> cmake. sudo는 만들 sudo는 설치하다 4. 유한 상태 머신 <ol><li> 모든 타겟에 도달 프로그램은 실험 프로토콜이나 연습 정권을 제어하는​​ 유한 상태 머신의 생성이 필요합니다. 일반적인 상태 머신은 다음과 같습니다 재판 시작, 목표 연락처 및 시험의 끝을 시작합니다. 각 상태와 상태 사이의 전송 기준의 기능의 예제는 다음과 같습니다. </li><li> 시련의 시작은 대상의 할당이 필요합니다. 대상 위치는 각 재판에 대해 무작위로 설정하거나 파일에서 설정할 수 있습니다. 재판의 시작은 한 사용자가 속도 임계값, 일반적으로 초당 0.06 미터 이상의 대상쪽으로 출시했다 끝납니다. </li><li> 시작 상태는 재판의 시작 이후에 발생합니다. 사용자가 목표를 접촉하거나 일정 기간 동안 대상의 내부 숙박 일단이 상태도 끝납니다. 대상 다친다되면, 이것은 대상 문의 상태를 수 있습니다. </li><li> 대상 문의 실행 상태 동안에 발생합니다. 피사체가 시간의 특정 기간 동안의 대상 내에 거주 후 대상 다친다되거나하는대로 끝날 수 있습니다. 이 시간이 경과되면, 시험 상태의 종료를 사용할 수 있습니다. </li><li> 시험 상태의 종료는 데이터 파일을 표시하기 위해 데이터 수집 소프트웨어를 신호, 소프트웨어 개발자가 각 재판의 끝을 구분하기 위해 사용한 구문 분석하는대로 인치해야 최종 재판이 완료되었습니다 않는 한, 시험 상태의 최종의 마지막 재판 상태의 시작이 가능합니다. </li></ol> 5. 신청 스트로크 환자의 재활 <ol><li> 로봇 인터페이스는 별도로 할 수없는 무언가를 활성화하기 위해 로봇을 사용하는 동안 치료사 전문 지식을 포함하도록 설계되었습니다. 몇 가지 잘 알려진 이유 (그림 1) relearning 프로세스를 향상 환자에 의해 인식 오류를 확대 오류 확대의 기술 활성화된 응용 프로그램 (아래에 자세히 설명). </li><li> 입체 촉각 / 그래픽 시스템은 가상 현실은 로봇 및 광학 운영 머신 (VRROOM)했다. 이 시스템은 예측 스테레오, 로봇 시스템 그 기록 손목 위치와 세미 silvered 거울 오버레이 디스플레이에 헤드 추적 렌더링을 결합 이전에 6 발표 및 힘 벡터 (그림 2) 생성. </li><li> 영화 품질의 DIgital 프로젝터 (크리스티 미라지 3000 DLP)은 110 ° 넓은 시야각의 결과, 5 피트 너비 1280x1024 픽셀 디스플레이를 스팬 이미지를 표시합니다. 적외선 방사체는 액정 디스플레이 (LCD) 셔터 안경 (Stereographics, 부동산)를 통해 별도의 왼쪽 및 오른쪽 눈 이미지를 동기화. 승천은 시각 표시가 적절한 머리 중심의 관점과 함께 렌더링했습니다 있도록 마그네틱 요소가 머리의 움직임을 추적 새의 떼. </li><li> 연구에 대한 자격시, 각 참가자의 기능적 능력을 각 후 한 주 후속 및 전반적인 45 일 후속 평가하여 각 치료 패러다임의 시작과 마무리에서 맹인 평가자에 의해 평가되었다. 각각의 평가를 포함하여 VRROOM뿐만 아니라 임상 조치의 수행 운동 (ROM) 평가의 범위로 구성되어 : 상자와 블록 평가, 울프 모터 기능 시험 (WMFT) Fugl 메이어 (AMFM)의 암 모터 섹션 단순 기능 리치의 평가 (ASFR). </li><li> 손목 부목과 exotendon 장갑은 중립적인 손목 및 손 정렬을 지원하기 위해 이용되었다. 로봇 핸들의 중심은 그 세력이 손목에 행동하지만 손에 움직임을 허용 있도록 radiocarpal 공동으로 사후 배치했던 팔뚝에 붙어 있 었지. </li><li> 환자의 팔 무게는 스프링 구동 윌밍턴 로봇 외장 (WREX) 중력이 균형 orthosis를 사용하여 감소했다. 환자의 지시 목표는 그들 앞에 제시 커서가 치료사의 손 (상담의 teleoperation)에 추적 장치를 통해 이동 추적하는 것이었습니다. </li><li> 환자는 환자의 상담 및 트리오에서 함께 일하는 로봇으로 약 40-60분에 대한 주당 3 일 연습. 제목과 치료사가 나란히 일자와 주제는 손목에 로봇에 연결되었습니다. </li><li> 각 세션은 컴퓨터에있는 환자를 situating에 대한 약 10 분 뒤에 치료사 모션 연습 수동 범위 (PROM), 다섯 분 시작했다. 주제는 다음 5 분마다 각 블록 사이에 2 분 휴식 기간과를 지속 운동 훈련 여섯 블록을 완료했습니다. </li><li> 훈련 기간 동안, 참가자들은 스테레오 디스플레이에 두 개의 커서를 보았습니다. 참가자가 다른 제어하면서 치료 치료 하나의 커서를 조작. 환자가 작업 공간을 통해 이동으로 상담자의 커서의 정확한 경로를 따르도록 지시했다. </li><li> 오류 확대는 모두 시각과 로봇에 의해 생성된 세력에 의해 제공되었다. 참가자 치료사의 커서에서 이탈하면, 순간 에러 벡터 E는 상담자의 커서와 참가자의 손에 사이에 위치의 차이로 설립되었습니다. 오류가 시각적으로 오류 확대의 일환으로 1.5 E (M)의 요인에 의해 확대되었다. 또한, 100 E (N / m)의 오류 보강 힘을는 안전상의 이유로 4 N의 최대 포화로 프로그램되었던, 적용되었다. </li><li> 다른 모든 치료 블록은 각 세션에 대해 동일한되었다 특정 표준 동작 구성되어. 다른 블록 치료사가 치료사의 전문성과 자신의 관찰에 따라 약점의 특정 지역에서 연수를 사용자 정의할 수있었습니다. 치료 프로토콜은 모든 참가자에 대한 구체적인 움직임의 행위를 포함, 앞으로를 포함하고 측면, 어깨 팔꿈치 커플링에 도달하고, 대각선 몸 전체에 도달. </li><li> 연습하는 동안, 매일 평균 오류가 연습 중 하나를 결과로 측정되었다. 특별한주의는 각 세션에 대해 동일한되었습니다 표준 동작 블록에 주어졌다. 이들은 어떤 증분 개선이 환자의 치료 및 보호자 (그림 3)에 신고 수있는 일상적인 기준에 관측할 수 있었는지 확인하기 위해 이전 일 비교했다. </li><li> 결과 주요 조치 일주 치료 종료 후, 매주 측정되었고, 게시 45일는 혜택의 보존을 결정합니다. 주요 결과는 Fugl 메이어 모터 능력 점수와 운동의 범위를 측정 우리의 맞춤형 암에 도달 테스트되었습니다. </li></ol> 6. 대표 결과 : &lt;AnyDevice&gt; 노드가 H3DViewer 또는 H3DLoad에로드되면 프로토콜은 다음 제대로되면, WAM 장치가 인식하고 시작하여야한다. WAM 다른 로봇으로 대체했다면, 코드 자체는 변경할 필요가없는 것입니다. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="그림 1"/> 그림 1. haptic / 그래픽 장치에 앉아있는 제목. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="그림 2"/> 그림 2. 물리 치료사와 haptic / 그래픽 장치에 앉아있는 제목. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="그림 3"/> 그림 3. 재활 O에 대한 구성F 스트로크 환자. A) 제목과 치료사가 함께 작업 앉아 및 대형 작업 공간 haptic / 운동을 실천하기 위해 그래픽 디스플레이를 사용합니다. 치료사는 주제에 대한 실수를 제공하고 환자의 요구에 맞게 조절 할 수 있습니다. 로봇이 멀리 대상에서 다리를 밀고하고 시각적인 피드백 시스템이 커서의 오류를 향상 세력을 제공합니다. 매일 매일 B) 전형적인 만성 뇌졸중 환자의 향상. 각 점은 틀에 박힌 기능적 운동 2 분 블록 측정한 평균 오류를 나타냅니다. 환자가 2 주간의 기간 및 전반적인 이익에 걸쳐 진행 상태를 보여주는 동안,이 사람은 항상 매일 향상되지 않았다.

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이 튜토리얼의 래퍼 클래스는 이안 샤프에 의해 저작권의 보호를 받고 있습니다.

래퍼 클래스 구현이 방법은 H3DAPI을 사용하는 경우, 소스 코드를 변경하지 않고, 사용하는 다른 로봇을 허용합니다. 특히, H3D에서 haptic / 그래픽 환경을 작성하고 유령 로봇 자신의 실험을 테스트를 연구자가 동일하거나 유사한 WAM 바렛을 사용하여 실험을하고, 그 반대를 수행하기 위해 수있을 것입니다. 장치 독립적인 상호 의사 소통 이런 종류의 국제 재활 로봇 연구에 대한 의미를 운반합니다. 이러한 의미는 빠른 haptic / 그래픽 개발, 국제적인 연구 협력 및 간 연구 연구실 통신을 용이하게합니다. 재활 로봇은 모터 학습에 관련된 많은 매개 변수를 발견하기 위해 아직있다. haptic / 그래픽 개발하는 동안 시간이 소요되는 단계 중 하나는 컴파일 시간을 포함합니다. 각 프로그램에 대한 컴파일 시간과 혼합 수많은 재활 매개 변수를 통해 가능한 모든 그룹 permutations을 테스트하기 위해 개발 수명주기가 급격히 상승. 컴파일 요구 사항의 부재와 H3D는 수많은 가상 현실 장면의 빠른 개발을위한 수 있습니다. 이것은 다양한 훈련 시나리오의 효과를 조사하기 위해 야심찬 그 연구자에 대한 장점으로 제공됩니다. 이 &#39;하드 코딩된&#39;래퍼 클래스 통합 접근의 제한이 절차는 H3DAPI의 새 배포가있을 때마다 반복해야한다는 사실을 포함합니다. H3DAPI의 최신 배포판에 래퍼 클래스를 통합하는 것이 가능 수정 H3DAPI에서 별도로 래퍼 클래스를 만드는 것입니다. 그러면 *. 있도록 라이브러리 파일에 래퍼 클래스를 넣어 것입니다. 이것은 원래 H3DAPI 배포판에서 클래스를 분리합니다.

<ol><li> 파리에 전화 표시 (개인 증가된의 현실 침지 시스템)에서 찾을 수 있습니다 <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> : 큰 회색 로봇이 바렛은 WAM입니다 <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> 작은 skinnier 검은 로봇이 환상입니다 <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> 암 마운트 RIC에서 개발된 T - WREX입니다 : <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 비전을위한 셔터 안경 : <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> 헤드 추적 소프트웨어. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> H3DAPI 자체 : <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

연장 치료 연습을위한 인터랙티브 장치를 테스트 최근의 연구는 바이오 피드백의 그래픽 및 다른 형태와 결합하여 로봇에 대한 새로운 전망을 보여주었다. 이전 인간 로봇 상호 작용 시스템은 새로운 시스템이 사용할 수있게 때마다 불필요한 발달 오버헤드 시간을 선도하는 각 로봇에 대한 구현되어 다양한 소프트웨어 명령을 요구합니다. 예를 들어, haptic / 그래픽 가상 현실 환경 haptic 피드백을 제공하는 한 특정 로봇을위한 코딩되었을 때, 특정 로봇 프로그램을 recoding하지 않고 다른 로봇에 대한 거래 될 수 없을 것입니다. 그러나, 오픈 소스 커뮤니티에 최근 노력이 사용되는 로봇에 관계없이 거의 동일한 응답을 이끌어내는 수있는 래퍼 클래스 접근 방식을 제안했습니다. 그 결과 공유 코드를 사용하여 유사한 실험을 수행할 수있는 전세계 연구자를 이끌 수 있습니다. 또 하나의 로봇의 모듈형 따라서 &quot;스위칭 아웃&quot;은 개발 시간에 영향을 미치지 않습니다 것입니다. 본 논문에서는, 우리는 소프트웨어가 가장 일반적으로 모든 로봇에 의해 사용되는 명령을 통합하는 오픈 소스 H3DAPI, 하나의 로봇에 대한 래퍼 클래스의 성공적인 생성 및 구현을 설명합니다.

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

최근, 잠재 고객의 광대한 금액은 인간 - 로봇 상호 작용 시스템을 사용할왔다. 본 논문에서 우리는 신속하게 상호 작용 기능을 가능한 라이브러리를 만들 수 있습니다 오픈 소스 소프트웨어와 함께 새로운 로봇 장치의 통합을 설명합니다. 우리는 다음 neurorehabilitation 어플 리케이션을위한 임상 응용 프로그램을 설명합니다.

Haptic 그래픽 / 재활 : 가상 환경 도서관에 로봇을 통합하고 뇌졸중 치료에 적용

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 조회수.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. 최근, 잠재 고객의 광대한 금액은 인간 - 로봇 상호 작용 시스템을 사용할왔다. 본 논문에서 우리는 신속하게 상호 작용 기능을 가능한 라이브러리를 만들 수 있습니다 오픈 소스 소프트웨어와 함께 새로운 로봇 장치의 통합을 설명합니다. 우리는 다음 neurorehabilitation 어플 리케이션을위한 임상 응용 프로그램을 설명합니다.

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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.

3T의 fMRI에 Haptic 로봇의 적응

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

연구

생체공학

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 종이 접기에서 바이오 반응 로봇을 설계

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.

촉각 자극에 의​​지 모터 응답의 적시성과 정확성을 평가하는 방법

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).

특별 한 광학 전송 인간의 혈 청에 심장 Biomarkers 척도를 사용 하 여

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.

Semiflexible 고분자 공부를 다양 한 도구로 DNA 나노튜브

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.

높은 처리량 앞으로 화학 유전학의 화면 애기 thaliana 을 액체 처리 로봇의 사용을 최적화

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.

참조되지 않은 태평양 굴에서 사실상 순차적 cDNA 라이브러리 생성을 위한 수렴 전략

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.

엔지니어 드 바이오 필름의 3 차원 패터 닝-it-스스로 바이오 필름

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.

경직성이 있는 뇌졸중 환자의 스트레치 반사 측정을 위한 테스트 재검사 및 평가자 간 신뢰성을 향상시키는 이소키네틱 로봇 장치

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

조합 플러그 생산을 위한 미세유체 장치 설정

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.

저자 스포트라이트: Integrating Computational and Experimental Approaches in Precision Oncology

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.

조합 플러그 생산을 위한 이중층 미세유체 장치

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