醫(yī)院病床變成充氣機(jī)器人 與機(jī)器人的安全交互將是未來(lái)的工作

隨著旨在 迎合客戶， 減輕壓力 和 照顧老年人的機(jī)器的發(fā)展，機(jī)器人與人們的日常生活日益緊密地交織在一起。如今，機(jī)器人學(xué)家不僅對(duì)更快，更強(qiáng)大或更精確地進(jìn)行設(shè)計(jì)感興趣，而且還對(duì)他們的栩栩如生，友好和親密聯(lián)系感興趣。

近年來(lái)，“硬”機(jī)器人技術(shù)已取得了巨大進(jìn)步，“硬”機(jī)器人是由硬塑料和金屬制成的機(jī)器人。這些機(jī)器人非常精確，堅(jiān)固，裝備精良，可以勝任繁重的工作，因此非常適合工業(yè)工作。通常，在這些設(shè)置中使用機(jī)器人來(lái)保護(hù)人類免受潛在危險(xiǎn)的工作條件的侵害。

對(duì)于工廠和倉(cāng)庫(kù)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)明智的解決方案，但是對(duì)于人來(lái)說(shuō)，工作本身更不可或缺的工作（如護(hù)理或醫(yī)療保健）呢？如果研究人員能夠開(kāi)發(fā)與人類交互時(shí)像人類彼此交互時(shí)一樣仔細(xì)的機(jī)器人，則它們可以用于各種領(lǐng)域，以全新的方式改善日常生活。這就是軟機(jī)器人技術(shù)的來(lái)歷。

機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)助理教授James Pikul研究軟機(jī)器人技術(shù)，這是一個(gè)新興領(lǐng)域，旨在構(gòu)建可以安全處理更細(xì)膩和易碎物品的機(jī)器人。這些機(jī)器人必須采用在壓力下會(huì)變形的材料，以減少撞擊，擠壓或以其他方式傷害與其互動(dòng)的同等柔軟物體（例如人體）的機(jī)會(huì)。

2019年9月，皮庫(kù)爾（Pikul）和他的團(tuán)隊(duì) 從美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science FoundaTIon）獲得了200萬(wàn)美元的資助， 用于探索一種完全不符合機(jī)器人通用概念的新型軟機(jī)器人技術(shù)。這些軟機(jī)器人從平板開(kāi)始，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的形狀以執(zhí)行任務(wù)。他們的目標(biāo)是：創(chuàng)建可充氣的機(jī)器人墊，將其放置在醫(yī)院病床上，并用于移動(dòng)患者。此應(yīng)用程序有可能提高患者的舒適度，并減少可能因患者處理而對(duì)護(hù)士和醫(yī)護(hù)人員造成的傷害。

為了獲得這一新興領(lǐng)域的靈感，軟機(jī)器人工程師通常會(huì)著眼于自然。皮庫(kù)爾研究了 章魚（一種完全柔軟的有機(jī)體），以及章魚如何將皮膚的紋理轉(zhuǎn)化為偽裝進(jìn)入周圍的環(huán)境。康奈爾大學(xué)的他和他的同事開(kāi)發(fā)了一種受此功能啟發(fā)的軟機(jī)器人系統(tǒng)?，F(xiàn)在，他正在擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)。Pikul想到的軟機(jī)器人不僅會(huì)改變外觀，還可以安全地搬運(yùn)和移動(dòng)患者。

“這里的挑戰(zhàn)是控制軟材料非常困難，” Pikul說(shuō)?！叭绻矣密浀臇|西建造，我該如何控制它使其有用呢？這就是我們?cè)噲D解決的問(wèn)題?！?/p>

為了回答這個(gè)問(wèn)題，Pikul和他的團(tuán)隊(duì)一直專注于理解這種新的軟機(jī)器人方法的基礎(chǔ)。醫(yī)療保健應(yīng)用并未立即受到關(guān)注。Pikul的團(tuán)隊(duì)包括賓夕法尼亞大學(xué)的 機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)助理教授Michael Posa，以及 GRASP實(shí)驗(yàn)室主任兼機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)教授Mark Yim。在賓夕法尼亞州以外， 科羅拉多大學(xué)博爾德分校化學(xué)與生物工程學(xué)教授，聚合物工程專家Ryan Hayward以及錫拉丘茲大學(xué)物理學(xué)教授，幾何學(xué)專家Chris Santangelo加入了該小組 。

但與任某的對(duì)話后，Pikul滿足 帕姆Cacchione，在賓夕法尼亞大學(xué)長(zhǎng)老會(huì)的護(hù)士科學(xué)家，羅爾斯頓樓期限主席在老年護(hù)理和賓夕法尼亞Geropsychiatric護(hù)理副教授。Cacchione和Yim在以前的機(jī)器人項(xiàng)目上進(jìn)行了合作，而Cacchione在Pikul的軟機(jī)器人技術(shù)上也有可能的應(yīng)用：便攜式的座椅升降器，可幫助上下輪椅的老年人。Cacchione在職業(yè)生涯的大部分時(shí)間里一直與老年人一起工作，她作為護(hù)士的多年經(jīng)驗(yàn)表明她渴望將先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)引入醫(yī)療保健領(lǐng)域。

皮庫(kù)（Pikul）喜歡這個(gè)主意，并開(kāi)始與Cacchione合作，以增加NSF撥款的影響。他們共同努力，通過(guò)將便攜式座椅升降設(shè)計(jì)作為醫(yī)院病床可充氣機(jī)器人墊的初始原型，進(jìn)一步擴(kuò)展了他們的想法，該墊可幫助護(hù)士移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)患者。這種干預(yù)將防止患者產(chǎn)生 壓力 傷害和減輕護(hù)士的壓力，護(hù)士常常被迫用手移動(dòng)患者并在此過(guò)程中受傷。壓力傷害是危險(xiǎn)的，并且是由于長(zhǎng)時(shí)間對(duì)身體的一部分造成壓力，尤其是在腳跟，腳踝，臀部和尾骨等骨質(zhì)區(qū)域。當(dāng)患者無(wú)法活動(dòng)時(shí)，他們很容易遭受壓力傷害，這需要護(hù)士每隔幾個(gè)小時(shí)重新安置患者一次。護(hù)士和醫(yī)護(hù)人員的這種反復(fù)疲勞會(huì)加重嚴(yán)重的肌肉骨骼傷害，使整個(gè)職業(yè)生涯惡化。

“護(hù)士的受傷是個(gè)大問(wèn)題，”皮庫(kù)爾說(shuō)?！坝捎诤茈y轉(zhuǎn)移患者，許多高素質(zhì)的護(hù)士會(huì)提早離開(kāi)該行業(yè)。而且，當(dāng)護(hù)士離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，留下來(lái)的護(hù)士的負(fù)擔(dān)增加了，整個(gè)周期繼續(xù)進(jìn)行?！?/p>

美國(guó)護(hù)士協(xié)會(huì)進(jìn)行的一項(xiàng) 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，護(hù)士的56%的肌肉骨骼疼痛是由他們的日常工作引起或加劇的，其中42%的人報(bào)告在12個(gè)月內(nèi)至少受傷一次，而52%的人報(bào)告慢性背痛。建議護(hù)士在移動(dòng)患者時(shí)使用醫(yī)院技術(shù)來(lái)減輕壓力，例如 機(jī)械式患者移位機(jī)，吊裝式移位機(jī)和側(cè)移輔助裝置。盡管有這些干預(yù)措施，Pikul發(fā)現(xiàn)仍有 12%的護(hù)士 由于患者受傷而離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)。

賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)院血液學(xué)和腫瘤學(xué)病房的護(hù)士，醫(yī)院安全病人處理委員會(huì)成員尼娜·索利斯（Nina Solis）說(shuō)：“這并不總是一個(gè)大的傷害?！?“如果您正在協(xié)助患者坐在椅子上，而他們卻將重物放在您身上，那么您可能不會(huì)因此受到嚴(yán)重傷害，但是隨著時(shí)間的推移，反復(fù)的勞累和較小的傷害可能會(huì)加重病情并導(dǎo)致重大問(wèn)題。”

“除此之外，手動(dòng)移動(dòng)患者的方法非常具有侵入性，” Solis補(bǔ)充說(shuō)。“通常，完整的患者-根本無(wú)法動(dòng)彈的患者-并不完全了解為什么要?jiǎng)訌?。他們感到焦慮和不舒服，有時(shí)人們拒絕搬家。我認(rèn)為，如果有一種技術(shù)可以使患者更謹(jǐn)慎地移動(dòng)，那么患者自身將更加放松并得到更多的休息?！?/p>

Pikul的技術(shù)也有可能提高患者的舒適度?！翱紤]一下，”皮庫(kù)爾補(bǔ)充道，“醫(yī)院的病床已經(jīng)是一個(gè)機(jī)器人了。它彎曲成不同的形狀，并具有監(jiān)視生命體征的傳感器。它們已經(jīng)是復(fù)雜的系統(tǒng)，它們?cè)谝苿?dòng)人員方面很不利。我們想解決這個(gè)問(wèn)題。”

Cacchione對(duì)Penn Engineering和Penn Nursing之間的合作以及他們共同研究的潛力感到興奮。

Cacchione說(shuō)：“與Penn Engineering的合作真的很有趣，我非常喜歡它。” “護(hù)理與工程學(xué)院之間有著巨大的協(xié)同作用，因?yàn)樽o(hù)理學(xué)?？梢越佑|到患者和臨床想法。我們正在共同努力，將工程構(gòu)想概念化，并將其應(yīng)用于對(duì)患者有意義的事物?！?/p>

“這個(gè)項(xiàng)目也涉及教育?！逼?kù)爾說(shuō)?！跋Ｍ?，護(hù)理與工程學(xué)之間的互動(dòng)將使護(hù)士對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療保健中機(jī)器人技術(shù)的能力有所贊賞，并使機(jī)器人專家對(duì)與人合作的挑戰(zhàn)感到贊賞?！?/p>

皮庫(kù)爾（Pikul）通過(guò)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NaTIonal Science FoundaTIon）資助的研究，為軟機(jī)器人技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，這是一個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域，將有助于創(chuàng)造機(jī)器人的未來(lái)。Pikul希望制造出可以安全地與人類緊密接觸的機(jī)器人，并將在日常生活中為機(jī)器人開(kāi)辟新的工作崗位。如果他能做到這一點(diǎn)，那么據(jù)我們所知，機(jī)器人將永遠(yuǎn)改變，因?yàn)樗鼈儗墓S車間的工業(yè)機(jī)器轉(zhuǎn)移到涉及人類健康，家庭和護(hù)理各個(gè)方面的先進(jìn)技術(shù)。

“與機(jī)器人的安全交互將是未來(lái)的工作，” Pikul說(shuō)?！霸絹?lái)越多的我們將被技術(shù)包圍和協(xié)助，我們希望確保我們?cè)诓晃：θ祟惖沫h(huán)境中做到這一點(diǎn)。最終，我們希望人們使用這些機(jī)器人，以使它們有所作為并改善人們的生活?！?/p>