Gostaria de agradecer a ajuda técnica de Brian Zenowich, Evestedt Daniel e Lin Winsean.

Introdução Há uma necessidade crescente em todos interação homem-máquina (HMI) para intuitiva e eficiente ambientes interativos. Numerosas indústrias continuam a depender mais fortemente de HMI, tais como: robótica de reabilitação, a indústria automotiva, fabricação de metais, máquinas de embalagem, produtos farmacêuticos, alimentos, bebidas, e utilitários. Tecnologias empregadas nestas indústrias incluem: terminais de exposição, computadores pessoais, software e HMI. Essas tecnologias podem ser combinadas para executar funções ilimitado. Robôs podem ser utilizados para facilitar a interação direta com os usuários, tais como servir como instrutor de música. Por exemplo, pesquisadores da Waseda University criaram um robô que toca saxofone para ensinar as pessoas como jogar e entender a interação entre aluno e professor 1. Outros pesquisadores em robótica têm feito um robô baseado em visão voando a fim de determinar como a inteligência artificial pode evoluir para interações inteligentes com o meio ambiente 2. A concentração específica deste trabalho reside dentro de robótica de reabilitação. Dentro da esfera da investigação e da indústria, o ritmo rápido da mudança para novos produtos e as necessidades dos utilizadores continua a crescer. Estas demandas impõem desafios maiores em termos de escalabilidade. Portanto, projeto do código tornou-se integrante no atendimento das necessidades dessas entidades em tempo hábil. Assim, a qualidade de um forte candidato arquitetônico deve incluir facilmente intercambiáveis ​​graphic-robô sistemas que incluem suporte de driver. A arquitetura H3DAPI satisfaz estas necessidades e, assim, uma classe wrapper foi criado. Além disso, H3D é projetado para ambientes de realidade virtual, tais como aqueles necessários na área da robótica de reabilitação. Neurais reabilitação robótica procura utilizar robôs para a finalidade de auxiliar os profissionais de reabilitação. A assistência que estes robôs fornecem vem na forma de um campo de força. Pesquisadores do motor passou de comando, como Shadmehr e Mussa-Ivaldi, utilizados campos de força para promover a adaptação do motor, e de ter encontrado 1) de adaptação a um campo de força aplicada externamente ocorre com classes diferentes de movimentos, incluindo mas não limitados a movimentos chegando, e 2) adaptação generaliza em diferentes movimentos que visitam as mesmas regiões dos 3 campo externo. Pesquisa de engenheiros biomecânicos da terapia baseada em desempenho Robot-Assisted Progressive mostra que repetitivas, tarefas específicas dirigidas a objetivos, robô-ajudada terapia é eficaz na redução deficiências motoras no braço afetado após 4 tempos, mas os efeitos terapêuticos e parâmetros exatos continuar a ser um campo de pesquisa. Feedback sensorial afeta o aprendizado e adaptação. Portanto, a próxima questão lógica seria a de pedir ou não artificialmente aumentar a magnitude de tais comentários promoveria mais rápido ou mais completo de aprendizagem / adaptação. Alguns pesquisadores descobriram que a aplicação de forças maior feedback sensorial ou pistas visuais para melhorar os erros podem fornecer um estímulo adequado neurológicas para promover níveis mais elevados de adaptação / aprendizagem 5,6. Isto é conhecido como &quot;aumento do erro&quot;. Este fenómeno pode ser devido ao fato de que os resultados uma vez de uma ação de controle de motor desviar do ideal, o nosso modelo interno de auto-ajusta de acordo com a magnitude do erro. Por conseguinte, como o nosso modelo interno se aproxima do ambiente externo, erro na execução de uma tarefa diminui. A investigação continua a apoiar a prática prolongada de funcionalmente actividades relevantes para a restauração da função, apesar de muitas políticas de saúde na atualidade limitar a quantidade de pacientes o tempo pode passar mais tempo com os terapeutas. A questão interessante é saber se estas novas aplicações da tecnologia pode ir mais longe do que simplesmente dar uma dose mais alta do estado atual do atendimento. Estudos de interação homem-máquina têm revelado novas perspectivas nas áreas de aprendizagem motora, e pode em alguns casos, oferecer valor acrescentado para o processo terapêutico. Especializados dispositivos robóticos combinado com computador exibe pode aumentar o feedback de erro, a fim de acelerar, aumentar, ou acionar reaprendizagem motora. Este trabalho irá apresentar uma metodologia de utilização de um sistema desenvolvido para uma intervenção clínica como um exemplo da aplicação desta tecnologia. 1. Estabelecer HAPI classe wrapper para um robô <ol><li> Criar um wrapper para a biblioteca HAPI haptics, criando o seu próprio. Cpp e arquivo de cabeçalho. Por exemplo, vamos utilizar o nome e HAPIWAM.cpp HAPIWAM.h. </li><li> HAPIWAM.cpp lugar para o diretório fonte: HAPI / src </li><li> HAPIWAM.h lugar para o diretório do arquivo de cabeçalho: HAPI / include / HAPI </li><li> No topo da HAPIWAM.h, inclua o arquivo de cabeçalho principal (s) de seu robô, no caso do Barrett WAM, que seriam: </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; é necessário para resolver mangling compilador, porque a biblioteca está incluído escrito em &#39;C&#39; eo H3DAPI é escrito em C + +. <ol start="5"><li> Em HAPIWAM.h, crie a sua classe e incluem os seguintes 4 funções </li></ol> bool initHapticsDevice (int); bool releaseHapticsDevice (); updateDeviceValues ​​void (DeviceValues ​​&amp; dv, HAPITime dt); vazio sendOutput (HAPIHapticsDevice:: DeviceOutput &amp; d, HAPITime t); <ol start="6"><li> Certifique-se que a classe herda publicamente a partir da classe HAPIhapticsdevice. </li><li> Criar um guarda de cabeçalho para sua classe. </li><li> Criar DeviceOutput estática e atributos HapticsDeviceRegistration estática sob a classe HAPIWAM. </li><li> Crie suas funções de membro estático para callbacks. </li><li> Definir o seu construtor e destruidor em HAPIWAM.cpp. </li><li> Registre seu aparelho em HAPIWAM.cpp. </li><li> Definir o seu 4 funções herdadas e callbacks em HAPIWAM.cpp. </li></ol> 2. HAPI biblioteca de criação <ol><li> Agora que criamos a classe wrapper HAPI, precisamos construir o seu wrapper para a biblioteca de HAPI. O WAM depende de algumas bibliotecas que H3DAPI não depende em sua forma bruta, portanto, estas bibliotecas precisam ser adicionados a HAPI. Ir para HAPI / HAPI / build e editar CMakeLists.txt. Adicionar as bibliotecas dependentes após a linha que diz &#39;SET (OptionalLibs). </li><li> Abra um console de comando e navegue até: HAPI / HAPI / build e digite o seguinte 3 comandos nesta ordem: </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 3. Classe wrapper H3D <ol><li> Para criar a classe wrapper para a biblioteca com o seu H3D HAPIWAM, primeiro crie WAMDevice.cpp no ​​diretório de origem: H3DAPI/src </li><li> WAMDevice.h lugar para o diretório do arquivo de cabeçalho: H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h deve conter o arquivo de cabeçalho padrão para todos os dispositivos H3DAPI, com o nome substituído para o que quiser. </li><li> WAMDevice.cpp deve conter a fonte padrão para todos os dispositivos H3DAPI, com o nome substituído para o que quiser. </li><li> Agora que a classe wrapper foi criado, reconstruir a biblioteca H3DAPI. Fazer isso editando CMakeLists.txt da mesma forma que foi realizada no passo 2.1, apenas no diretório: H3DAPI/build. </li><li> Reconstruir a biblioteca H3DAPI sob o diretório H3DAPI/build </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 4. Máquina de estado finito <ol><li> Todos os programas direcionados atingindo requer a criação de uma máquina de estados finitos para controlar o protocolo experimental ou regime prática. Máquinas de estado típicas incluem: Início do julgamento, Launch, Contact Target, e End of Trial. Um exemplo da função de cada Estado, e critérios para a transferência entre os estados é listado abaixo. </li><li> O início do julgamento requer a alocação de um alvo. Locais alvos podem ser definidas de forma aleatória para cada teste ou pode ser definido a partir de um arquivo. O início do julgamento termina quando o usuário lançou em direção ao alvo acima do limite de velocidade, tipicamente 0,06 metros por segundo. </li><li> O estado de Lançamento ocorre após o início do julgamento. Este estado termina ou quando o usuário toca o alvo ou fica dentro da meta por um período de tempo. Uma vez que o alvo é tocada, isso permite que o estado do contato Target. </li><li> Contate-alvo ocorre durante o estado de Lançamento. Pode acabar assim que o alvo é tocado ou após o sujeito reside dentro da meta por um período de tempo específico. Uma vez que este tempo passou, o fim do estado de teste está ativado. </li><li> O Fim do Estado de julgamento deve sinalizar o software de coleta de dados para marcar o arquivo de dados, independentemente da análise do desenvolvedor de software tem utilizado, para delimitar o final do julgamento cada um. A menos que o julgamento final tenha sido completado, o fim do Fim do estado de teste permite que o início do estado Trial. </li></ol> 5. Aplicação: reabilitação do paciente de derrame <ol><li> A interface robótica foi projetada para envolver as competências terapeuta durante a utilização do robô para permitir que algo que não poderiam ser feitas. A aplicação da tecnologia habilitada (descrito em mais detalhes abaixo) de aumento de erro, que ampliou os erros percebidos pelo paciente, que por várias razões bem conhecidas melhora o processo de reaprendizagem (fig. 1). </li><li> A haptics tridimensional / sistema gráfico chamado de Realidade Virtual e Robótica Máquina Operações Optical (VRROOM). Este sistema, apresentado anteriormente 6, combinado um aparelho de som projetado, cabeça-tracked renderização em uma tela de sobreposição semi-prateado espelho com um sistema robótico que a posição de pulso gravado e gerou um vetor de força (fig. 2). </li><li> A di cinema de qualidadegital projector (Christie Mirage 3000 DLP) exibido as imagens que se estendeu por um período de cinco metros de largura 1280x1024 pixéis, resultando em um ângulo de visão 110 ° de largura. Emissores de infravermelho sincronizadas separar imagens do olho esquerdo e direito através de Display de Cristal Líquido (LCD) óculos (Stereographics, Inc). Ascension Flock of Birds elementos magnéticos rastreados movimento da cabeça de modo que a exibição visual foi rendida com a perspectiva cabeça centrada apropriado. </li><li> Após a qualificação para o estudo, a capacidade funcional de cada participante foi avaliado por um avaliador cego no início e no fim de cada paradigma do tratamento com uma semana de follow-up após cada e um total de 45 dias de avaliação follow-up. Cada avaliação consistiu de uma série de avaliação de movimento (ADM), realizado na VRROOM bem como as medidas clínicas, incluindo: a avaliação Caixa e Blocos, Wolf Teste da Função Motora (WMFT), Seção Braço Motor da Fugl-Meyer (AMFM), e avaliação do alcance funcional simples (TEF). </li><li> Uma luva exotendon com tala de pulso foi utilizada para auxiliar no pulso neutro e alinhamento mão. O centro do punho do robô foi anexado ao antebraço foi colocado posterior à articulação radiocarpal para que suas forças agiram no pulso, mas permitiu o movimento da mão. </li><li> Peso do braço do paciente foi reduzido usando uma mola-powered Wilmington Robotic Exoskeleton (Wrex) gravidade equilibrado órtese. Objetivo instruiu o paciente foi para perseguir um cursor apresentado na frente deles movidos por meio de um dispositivo de rastreamento na mão do terapeuta (teleoperação terapeuta). </li><li> Pacientes prática três dias por semana por aproximadamente 40-60 minutos, com o paciente, o terapeuta, eo robô trabalhando juntos em um trio. Assunto e terapeuta sentaram-se lado a lado, eo tema foi ligado ao robô no pulso. </li><li> Cada sessão começou com cinco minutos de intervalo passivo de exercícios de movimento (PROM) com o terapeuta, seguido por cerca de dez minutos para situar o paciente na máquina. O assunto em seguida, completou seis quadras de treinamento movimento com duração de cinco minutos cada, com períodos de dois minutos de descanso entre cada bloco. </li><li> Durante o treinamento, os participantes viu dois cursores no visor estéreo. O terapeuta tratar manipulado um cursor, enquanto o participante controlava o outro. Os pacientes foram orientados a seguir o caminho exato do cursor do terapeuta enquanto se movia em todo o espaço de trabalho. </li><li> Aumento do erro foi fornecido tanto visualmente quanto por forças geradas pelo robô. Quando os participantes se desviaram cursor terapeuta, um vetor e instantânea de erro foi estabelecida como a diferença de posição entre o cursor do terapeuta e da mão do participante. Erro foi visualmente ampliada por um fator de 1,5 e (m) como parte do aumento do erro. Além disso, uma força de erro aumentando de 100 e (N / m) também foi aplicado, o que foi programado para saturar a um máximo de 4 N por razões de segurança. </li><li> Cada bloco de outro tratamento consistiu em específico, os movimentos padronizados que foram os mesmos para cada sessão. Os outros blocos permitido o terapeuta para personalizar a formação em áreas específicas de fraqueza com base na expertise terapeuta e as suas observações. O protocolo de tratamento incluiu a prática de movimentos específicos para todos os participantes, incluindo a frente eo lado alcançando, ombro, cotovelo de acoplamento, e diagonal atingindo todo o corpo. </li><li> Enquanto pratica, dia-a-dia de erro médio foi medido como um resultado da prática. Especial atenção foi dada aos blocos de movimentos padronizados que foram os mesmos para cada sessão. Estes foram comparados aos dias anteriores para determinar se qualquer melhoria incremental pode ser observado no dia-a-dia, que pode ser relatado para o paciente, o terapeuta, e os cuidadores (fig. 3). </li><li> Medidas primárias de desfecho foram medidos semanalmente, uma semana após o término do tratamento, e 45 dias pós para determinar a retenção dos benefícios. Principais resultados foram os Fugl-Meyer valor de habilidade motora e alcançar o nosso teste personalizado braço que medida a amplitude de movimento. </li></ol> 6. Resultados representativos: Quando o protocolo é feito corretamente, então uma vez que o nó &lt;AnyDevice&gt; é carregado no H3DViewer ou H3DLoad, o dispositivo WAM devem ser reconhecidos e iniciados. Se a WAM foram substituídos por outro robô, o código em si não teria necessidade de ser alterado. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="Figura 1"/> Figura 1. Assunto sentado à haptic / aparato gráfico. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="Figura 2"/> Figura 2. Assunto sentado à haptic / aparelho gráfico com fisioterapeuta. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="Figura 3"/> Figura 3. Configuração de reabilitação of o paciente acidente vascular cerebral. A) sujeito eo terapeuta trabalhando juntos, sentados e usando o haptic grande espaço de trabalho / display gráfico para a prática de movimento. O terapeuta fornece uma pista para o sujeito, e pode condicionado sob medida para as necessidades do paciente. O robô fornece forças que empurram o membro longe do alvo e do sistema de feedback visual aumenta o erro do cursor. B) melhora do paciente típico acidente vascular cerebral crônica de dia para dia. Cada ponto representa o erro médio medido para um bloco de 2 minutos de movimento funcional estereotipado. Enquanto o paciente mostra o progresso em todo o período de 2 semanas e benefício global, esta pessoa nem sempre melhorar a cada dia.

<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>

As classes wrapper neste tutorial estão sob copyright por Ian Sharp.

Este método de implementação da classe wrapper permite robôs diferentes para ser usado, sem alterar o código-fonte, ao usar o H3DAPI. Especificamente, os pesquisadores que escreveram suas haptic / ambiente gráfico em H3D e testou seu experimento com um robô fantasma seria capaz de realizar a experiência iguais ou semelhantes usando o Barrett WAM, e vice-versa. Este tipo de dispositivo independente cruz-comunicação traz implicações para a pesquisa internacional de robótica de reabilitação. Tais implicações facilitar haptic rápida / desenvolvimento gráfico, a colaboração na investigação internacional e inter-comunicação de pesquisa de laboratório. Reabilitação robótica ainda tem que descobrir os numerosos parâmetros envolvidos na aprendizagem motora. Um dos passos demorados durante haptic / desenvolvimento de gráficos inclui o tempo de compilação. Com parâmetros de reabilitação numerosos, agravado com o tempo de compilação para cada programa, o ciclo de vida de desenvolvimento para testar todas as permutações possíveis grupo sobe rapidamente. H3D, com a sua ausência de requisitos de compilação, permite o desenvolvimento rápido de inúmeras cenas de realidade virtual. Isso vem como uma vantagem para aqueles pesquisadores que aspiram a sonda os efeitos de vários cenários de treinamento. Limitações desta abordagem wrapper &#39;hard-coded &quot;integração da classe incluem o fato de que este procedimento deve ser repetido cada vez que há uma nova distribuição do H3DAPI. Possíveis modificações para integrar a classe wrapper em sua última distribuição do H3DAPI seria criar a classe wrapper separadamente do H3DAPI. Você, então, colocar a sua classe wrapper em um arquivo de biblioteca *. so. Isso seria isolar sua classe a partir da distribuição H3DAPI original.

<ol><li> A exibição chamada paris (pessoal aumentada sistema de imersão realidade), pode ser encontrada em <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> O grande robô cinza é o Barrett WAM: <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> O menor, mais magro robô preto é o Phantom: <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> A montagem do braço é o T-Wrex, desenvolvido na 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> Os óculos para 3D Vision: <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> Software de monitoramento cabeça. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> O H3DAPI si: <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

Pesquisas recentes que os testes de dispositivos interativos para a prática de terapia prolongada, revelou novas perspectivas para a robótica combinado com formas gráficas e outros de biofeedback. Anteriores entre humanos e robôs sistemas interativos têm exigido comandos de software diferentes a serem implementadas para cada robô levando à sobrecarga desnecessária de tempo de desenvolvimento cada vez que um novo sistema se torna disponível. Por exemplo, quando um haptic / ambiente de realidade virtual tem sido gráficos codificados para um robô específico para fornecer feedback tátil, o robô específico não seria capaz de ser trocados por outro robô, sem recodificação do programa. No entanto, os recentes esforços da comunidade de código aberto têm proposto uma abordagem de classe wrapper que pode provocar respostas quase idênticas, independentemente do robô utilizado. O resultado pode levar os investigadores em todo o mundo para realizar experimentos semelhantes utilizando o código compartilhado. Portanto, &quot;a mudança para fora&quot; modular de um robô para o outro não afetaria o tempo de desenvolvimento. Neste trabalho, destacamos o êxito da criação e implementação de uma classe wrapper para um robô no H3DAPI open-source, que integra o software comandos mais comumente utilizados por todos os robôs.

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

Recentemente, uma grande quantidade de perspectivas vieram disponível para humanos e robôs sistemas interativos. Neste artigo destacamos a integração de um novo dispositivo robótico com software de código aberto que pode rapidamente tornar uma biblioteca possível de funcionalidades interactivas. Em seguida, esboçar uma aplicação clínica para uma aplicação de reabilitação neurológica.

Haptic / Reabilitação Graphic: Integrando um robô em um ambiente virtual Biblioteca e aplicando-a Terapia curso

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 visualizações.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. Recentemente, uma grande quantidade de perspectivas vieram disponível para humanos e robôs sistemas interativos. Neste artigo destacamos a integração de um novo dispositivo robótico com software de código aberto que pode rapidamente tornar uma biblioteca possível de funcionalidades interactivas. Em seguida, esboçar uma aplicação clínica para uma aplicação de reabilitação neurológica.

Vídeo: 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.

Adaptação de um robô Haptic em um fMRI 3T

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

Bioengenharia

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.

Projetando um robô Bio-responsivo de DNA 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.

Um método para avaliar pontualidade e precisão das respostas Volitional motor para vibrotátil 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).

Usando transmissão óptica extraordinária para quantificar biomarcadores cardíacos no soro 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 DNA como uma ferramenta versátil para estudar semiflexível polímeros

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.

Otimizando o uso de um robô de manipulação líquidos para conduzir a uma alta taxa de transferência para a frente química genética tela 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.

Uma estratégia convergente para a geração de uma biblioteca de cDNA virtualmente seqüenciada de ostras pacíficos não referenciadas

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.

Padronização tridimensional de biofilmes projetados com uma Bioimpressora do-it-yourself

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 Isokinetic para melhorar a confiabilidade do teste-reteste e do Inter-rater para medidas do reflexo do estiramento em pacientes do curso com spasticity

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

Configuração de um dispositivo microfluídico para produção combinatória de plugues

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 em destaque: Integrando abordagens computacionais e experimentais em oncologia de precisão

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 bicamada para produção de plugue combinatório

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