Команда исследователей разработала надувных роботов для применения в больницах

С машинами, разработанными, чтобы приветствовать клиентов, успокаивать и заботиться о пожилых людях, роботы все больше переплетаются с повседневной человеческой жизнью. Сегодня робототехники заинтересованы не только в том, чтобы сделать свои проекты более быстрыми, эффективными и точными, но также в том, насколько они будут отзывчивыми, дружелюбными и тесно связанными с человеческими потребностями.

Причины возникновения идеи

В последние годы в мире «жесткой» робототехники произошли масштабные успехи - роботы, которые сделаны из твердых пластмасс и металлов очень сильно развились за это время. Эти роботы отлично подходят для промышленных работ, потому что они точны, прочны и хорошо оснащены для деятельности подобного рода. Часто в этих условиях роботы используются для защиты людей от потенциально опасных условий труда.

Это отличное решение для заводов и складов, но как насчет рабочих мест, где люди более неотъемлемы от самой работы, таких как уход за больными или здравоохранение? Если бы исследователи могли разработать роботов, которые взаимодействуют с людьми так же тщательно и аккуратно, как люди взаимодействуют друг с другом, их можно было бы использовать в самых разных областях, чтобы радикально улучшить повседневную жизнь.

Вот тут и проявляет себя мягкая робототехника. Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, изучает мягкую робототехнику, развивающуюся область, стремящуюся создавать роботов, которые могут безопасно обрабатывать более деликатные и хрупкие объекты. Эти роботы должны быть созданы из материалов, которые деформируются под давлением, уменьшая шансы навредить, защемить или иным образом нанести вред человеку.

Начало исследований

В сентябре 2019 года Пикуль и его команда получили грант в размере 2 млн. долларов от Национального научного фонда на исследование нового типа мягкой робототехники, который не соответствует общей концепции подобных роботов.

Эти мягкие роботы похожие на листы бумаги, которые затем реконструируются в точные формы для выполнения конкретных задач. Их цель: создать надувной роботизированный коврик для размещения на больничных койках и использования при перемещениях пациентов.

Это приложение должно повысить комфорт пациента и облегчить работу для медсестер и работников здравоохранения, которые могут быть вызваны по просьбам пациентом.

Что стало основой для идеи

Чтобы получить вдохновение для этой развивающейся области, инженеры мягкой робототехники часто обращаются к природе. Пикуль изучал осьминогов - организмы с совершенно мягкими телами - и как они трансформируют текстуру своей кожи, чтобы маскироваться. Он и его коллеги из Корнелла разработали мягкую роботизированную систему, вдохновленную этой способностью и активно развивают эту идею.

Мягкие роботы, которые Пикуль намерен разработать, будут выходить за рамки простого изменения своего внешнего вида, поскольку им будет поручено безопасно поднимать и перемещать пациентов больницы. «Проблема в том, что контролировать мягкие материалы очень сложно», - говорит Пикуль. «Если я строю что-то мягкое, как я могу управлять этим, чтобы выполнить нужное мне действие? Это вопрос, который мы пытаемся выяснить».

Участники проекта и их вклад

Чтобы ответить на этот вопрос, Пикуль и его команда сосредоточились на понимании основ этого нового подхода к мягкой робототехнике; первоначально они не предполагали, что устройство идеально подойдёт для сферы здравоохранения.

В команду Пикуля входили преподаватели из Пенсильвании Майкл Поса, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, и Марк Йим, директор лаборатории GRASP и профессор кафедры машиностроения и прикладной механики. Помимо Пенна к группе присоединились Райан Хейворд, профессор химической и биологической инженерии в Университете Колорадо в Боулдере, а также Крис Сантанджело, профессор физики в Сиракузском университете и эксперт по геометрии.

Но после разговора с Йимом Пикуль встретился с Пэм Каччионе, медсестрой в Пенн Пресвитериане, заведующей кафедрой геронтологической сестринства в Ралстон-хаусе и доцентом геропсихиатрической сестринской помощи в Пенне. Каччионе и Йим совместно работали над предыдущими подобными проектами, и у Каччоине была возможная идея применения для мягкой роботизированной технологии Пикуля.

Портативные подъемники для пожилых людей, у которых могли возникнуть проблемы, когда те пытались встать. Каччоин работала со взрослыми на протяжении большей части своей карьеры, и ее многолетний опыт работы медсестрой только усилил ее желание внедрить передовые роботизированные технологии в мир здравоохранения. Пикулю понравилась идея, и он начал работать с Каччоине, чтобы увеличить вероятностью получения гранта NSF.

Вместе они развили свои идеи на один шаг вперёд, представив конструкцию переносного сиденья в качестве исходного прототипа надувного роботизированного коврика для больничных кроватей, который помог бы медсестрам перемещать и переворачивать пациентов. Это вмешательство предотвратит развитие у пациентов травм под давлением и уменьшит нагрузку на медсестер, которым часто приходится перемещать пациентов вручную и травмировать себя и их в процессе.

Травмы опасны и вызваны чаще всего длительным давлением на определенную часть тела, особенно на костные участки, такие как пятки, лодыжки, бедра и копчик. Когда пациенты не могут двигаться самостоятельно, они подвергаются высокому риску развития травм, что создаёт потребность в медсестрах, которые будут изменять положение пациента каждые несколько часов. Эта нагрузка на медсестер и медицинских работников способствует появлению у них травм.

«Травмы у медсестер - серьезная проблема», - говорит Пикуль. «Многие высококвалифицированные медсестры рано покидают профессию из-за трудности перемещения пациентов. И когда медсестры уходит из больницы, бремя для оставшихся медсестер увеличивается, и цикл продолжается».

Опрос, проведенный Американской ассоциацией медсестер, показал, что 56 процентов медсестер страдают от скелетно-мышечной боли, а 42 процента сообщили, что получали травмы хотя бы один раз в течение 12-месячного периода, и ещё 52 процента сообщили о хронической боли в спине. Медсестрам рекомендуется использовать больничные технологии для снижения нагрузки при перемещении пациентов, такие как механические подъемники, потолочные подъемники и средства бокового переноса.

Несмотря на эти вмешательства, Пикуль обнаружил, что 12 процентов медсестер бросают работу в результате травм именно на этой почве. «Это не всегда ограничивается одной травмой», - говорит Нина Солис, медсестра отделения гематологии и онкологии в больнице Пенсильванского университета и член комитета больницы по безопасному обращению с пациентами.

«Если вы помогаете пациенту в кресле, и он переносит на вас большую часть собственного веса, вы можете не получить серьезную травму от этого, но повторное напряжение и меньшие травмы могут со временем усугубиться и привести к серьезным последствиям».

«Более того, перемещение пациента вручную очень неудобно», - добавляет Солис. «Часто полные пациенты, или те, которые вообще не могут двигаться, - не до конца осознают, почему их перемещают. Они чувствуют себя дискомфортно, и иногда из-за этого люди отказываются перемещаться.

Я думаю, что, если бы существовала технология для более осторожного перемещения пациентов, они бы чувствовали себя более расслабленными и не так напрягались». Технология Пикуля также может повысить комфорт пациента. «Если задуматься, - добавляет Пикуль, - больничная койка - это уже робот. Он изгибается, принимая разные формы и имеет датчики для контроля жизненно важных функций. Это уже сложные системы, которые просто плохо переносят людей. И мы хотим это исправить.

Сотрудничество двух гигантов

Каччоине воодушевлена сотрудничеством между Penn Engineering и Penn Nursing и потенциалом их совместных исследований. «Работать с Penn Engineering было действительно весело, и мне это очень понравилось», - говорит Каччоне. «Между школами сестринского дела и инженерии существует тесное взаимодействие, потому что школа медсестер имеет доступ к пациентам и клиническим идеям, а те реализуют их.

Мы работаем вместе, чтобы концептуализировать инженерные идеи и применить их к чему-то, что будет значимым для пациента». «Этот проект тоже касается образования», - говорит Пикуль. «Надеемся, что взаимодействие между этими организациями даст медсестрам высокую оценку возможностей робототехники в современном здравоохранении, а робототехники будут по достоинству оценены за такую помощь людям».

Своими исследованиями, финансируемыми Национальным научным фондом, Пикуль закладывает основу для мягкой робототехники как инновационной области, которая поможет создать будущее роботов.

Пикуль хочет создавать роботов, безопасных для тесного контакта с людьми, и откроет новые рабочие места для них в повседневной жизни. Если он сможет достичь этого, то роботы и их концепция будут навсегда изменены, поскольку они переходят от промышленных машин на производственных площадках на более серьезный уровень и будут задействованы абсолютно во всех сферах жизни. «Безопасное взаимодействие с роботами станет основой для их будущего», - говорит Пикуль.

«Все больше и больше нас будут окружать технологии, и мы хотим быть уверенными в том, что это будет полностью безопасно для людей. В конечном счете, мы хотим, чтобы люди использовали этих роботов, и тем самым улучшили свою жизнь».