医院病床变成充气机器人 与机器人的安全交互将是未来的工作

随着旨在 迎合客户， 减轻压力 和 照顾老年人的机器的发展，机器人与人们的日常生活日益紧密地交织在一起。如今，机器人学家不仅对更快，更强大或更精确地进行设计感兴趣，而且还对他们的栩栩如生，友好和亲密联系感兴趣。

近年来，“硬”机器人技术已取得了巨大进步，“硬”机器人是由硬塑料和金属制成的机器人。这些机器人非常精确，坚固，装备精良，可以胜任繁重的工作，因此非常适合工业工作。通常，在这些设置中使用机器人来保护人类免受潜在危险的工作条件的侵害。

对于工厂和仓库来说，这是一个明智的解决方案，但是对于人来说，工作本身更不可或缺的工作（如护理或医疗保健）呢？如果研究人员能够开发与人类交互时像人类彼此交互时一样仔细的机器人，则它们可以用于各种领域，以全新的方式改善日常生活。这就是软机器人技术的来历。

机械工程和应用力学助理教授James Pikul研究软机器人技术，这是一个新兴领域，旨在构建可以安全处理更细腻和易碎物品的机器人。这些机器人必须采用在压力下会变形的材料，以减少撞击，挤压或以其他方式伤害与其互动的同等柔软物体（例如人体）的机会。

2019年9月，皮库尔（Pikul）和他的团队 从美国国家科学基金会（National Science Foundation）获得了200万美元的资助， 用于探索一种完全不符合机器人通用概念的新型软机器人技术。这些软机器人从平板开始，然后转变为精确的形状以执行任务。他们的目标是：创建可充气的机器人垫，将其放置在医院病床上，并用于移动患者。此应用程序有可能提高患者的舒适度，并减少可能因患者处理而对护士和医护人员造成的伤害。

为了获得这一新兴领域的灵感，软机器人工程师通常会着眼于自然。皮库尔研究了 章鱼（一种完全柔软的有机体），以及章鱼如何将皮肤的纹理转化为伪装进入周围的环境。康奈尔大学的他和他的同事开发了一种受此功能启发的软机器人系统。现在，他正在扩展这项技术。Pikul想到的软机器人不仅会改变外观，还可以安全地搬运和移动患者。

“这里的挑战是控制软材料非常困难，” Pikul说。“如果我用软的东西建造，我该如何控制它使其有用呢？这就是我们试图解决的问题。”

为了回答这个问题，Pikul和他的团队一直专注于理解这种新的软机器人方法的基础。医疗保健应用并未立即受到关注。Pikul的团队包括宾夕法尼亚大学的 机械工程与应用力学助理教授Michael Posa，以及 GRASP实验室主任兼机械工程与应用力学教授Mark Yim。在宾夕法尼亚州以外， 科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程学教授，聚合物工程专家Ryan Hayward以及锡拉丘兹大学物理学教授，几何学专家Chris Santangelo加入了该小组 。

但与任某的对话后，Pikul满足 帕姆Cacchione，在宾夕法尼亚大学长老会的护士科学家，罗尔斯顿楼期限主席在老年护理和宾夕法尼亚Geropsychiatric护理副教授。Cacchione和Yim在以前的机器人项目上进行了合作，而Cacchione在Pikul的软机器人技术上也有可能的应用：便携式的座椅升降器，可帮助上下轮椅的老年人。Cacchione在职业生涯的大部分时间里一直与老年人一起工作，她作为护士的多年经验表明她渴望将先进的机器人技术引入医疗保健领域。

皮库（Pikul）喜欢这个主意，并开始与Cacchione合作，以增加NSF拨款的影响。他们共同努力，通过将便携式座椅升降设计作为医院病床可充气机器人垫的初始原型，进一步扩展了他们的想法，该垫可帮助护士移动和翻转患者。这种干预将防止患者产生 压力 伤害和减轻护士的压力，护士常常被迫用手移动患者并在此过程中受伤。压力伤害是危险的，并且是由于长时间对身体的一部分造成压力，尤其是在脚跟，脚踝，臀部和尾骨等骨质区域。当患者无法活动时，他们很容易遭受压力伤害，这需要护士每隔几个小时重新安置患者一次。护士和医护人员的这种反复疲劳会加重严重的肌肉骨骼伤害，使整个职业生涯恶化。

“护士的受伤是个大问题，”皮库尔说。“由于很难转移患者，许多高素质的护士会提早离开该行业。而且，当护士离开现场时，留下来的护士的负担增加了，整个周期继续进行。”

美国护士协会进行的一项 调查发现，护士的56%的肌肉骨骼疼痛是由他们的日常工作引起或加剧的，其中42%的人报告在12个月内至少受伤一次，而52%的人报告慢性背痛。建议护士在移动患者时使用医院技术来减轻压力，例如 机械式患者移位机，吊装式移位机和侧移辅助装置。尽管有这些干预措施，Pikul发现仍有 12%的护士 由于患者受伤而离开现场。

宾夕法尼亚大学医院血液学和肿瘤学病房的护士，医院安全病人处理委员会成员尼娜·索利斯（Nina Solis）说：“这并不总是一个大的伤害。” “如果您正在协助患者坐在椅子上，而他们却将重物放在您身上，那么您可能不会因此受到严重伤害，但是随着时间的推移，反复的劳累和较小的伤害可能会加重病情并导致重大问题。”

“除此之外，手动移动患者的方法非常具有侵入性，” Solis补充说。“通常，完整的患者-根本无法动弹的患者-并不完全了解为什么要动弹。他们感到焦虑和不舒服，有时人们拒绝搬家。我认为，如果有一种技术可以使患者更谨慎地移动，那么患者自身将更加放松并得到更多的休息。”

Pikul的技术也有可能提高患者的舒适度。“考虑一下，”皮库尔补充道，“医院的病床已经是一个机器人了。它弯曲成不同的形状，并具有监视生命体征的传感器。它们已经是复杂的系统，它们在移动人员方面很不利。我们想解决这个问题。”

Cacchione对Penn Engineering和Penn Nursing之间的合作以及他们共同研究的潜力感到兴奋。

Cacchione说：“与Penn Engineering的合作真的很有趣，我非常喜欢它。” “护理与工程学院之间有着巨大的协同作用，因为护理学校可以接触到患者和临床想法。我们正在共同努力，将工程构想概念化，并将其应用于对患者有意义的事物。”

“这个项目也涉及教育。”皮库尔说。“希望，护理与工程学之间的互动将使护士对现代医疗保健中机器人技术的能力有所赞赏，并使机器人专家对与人合作的挑战感到赞赏。”

皮库尔（Pikul）通过国家科学基金会（National Science Foundation）资助的研究，为软机器人技术奠定了基础，这是一个创新领域，将有助于创造机器人的未来。Pikul希望制造出可以安全地与人类紧密接触的机器人，并将在日常生活中为机器人开辟新的工作岗位。如果他能做到这一点，那么据我们所知，机器人将永远改变，因为它们将从工厂车间的工业机器转移到涉及人类健康，家庭和护理各个方面的先进技术。

“与机器人的安全交互将是未来的工作，” Pikul说。“越来越多的我们将被技术包围和协助，我们希望确保我们在不危害人类的环境中做到这一点。最终，我们希望人们使用这些机器人，以使它们有所作为并改善人们的生活。”