Технологично и недорого
Более пяти миллионов человек в мире перенесли ампутацию верхних конечностей и нуждаются в протезировании. Протезы прошли долгий путь от традиционных манекеноподобных, выполняющих лишь косметическую функцию, до нейропротезов – бионических конечностей, способных воспринимать остаточные мышечные сигналы носителя и выполнять желаемые движения. Но за эту высокотехнологичную ловкость приходится платить. Нейропротезирование может стоить десятки тысяч долларов и строится на металлических каркасах с электрическими приводами, которые бывают тяжелыми и тугими.
Инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тонг разработали мягкий, легкий и потенциально недорогой нейропротез руки. Добровольцы, испытывавшие протез, выполняли повседневные действия (закрывали чемодан на молнию, наливали сок из коробки в стакан, гладили кошек) так же успешно, а в некоторых случаях лучше, чем с более сложным и тяжелым нейропротезом.
Фотография предоставлена разработчиками протеза.
Исследователи обнаружили, что протез, разработанный с использованием системы тактильной обратной связи, восстановил некоторые простые ощущения в остаточной конечности добровольцев. Новая конструкция удивительно прочна и в тестах быстро восстанавливалась после удара молотком или наезда автомобиля.
Новый протез мягок и эластичен, он весит около 200 граммов, а его компоненты в сумме стоят примерно 500 долларов – малая часть веса и материальных затрат, связанных с существующими нейропротезами.
Разработанная профессором Сюаньхэ Чжао и его коллегами искусственная рука изготовлена из мягкого эластичного материала – эластомера EcoFlex – и имеет пять пальцев с сегментами, аналогичными фалангам настоящих пальцев. Они крепятся к созданной на 3D-принтере «ладони».
Вместо отдельных электродвигателей, управляющих каждым пальцем, как это устроено в большинстве нейропротезов, исследователи использовали простую пневматическую систему для точного надувания пальцев и сгибания их в определенных положениях. Система включает небольшой насос и клапаны, которые можно носить на поясе, значительно снижая вес самого протеза.
Специально разработанная компьютерная модель помогла соотнести желаемое положение пальцев с давлением, которое насос должен создавать для достижения этого положения. Используя данную модель, группа разработала чип, который управляет пневматической системой для «надувания» пальцев в положениях, имитирующих пять распространенных комбинаций, включая сведение двух и трех пальцев вместе, сжатие в кулак и сложение ладони чашечкой.
Пневматическая система получает сигналы от электромиографических датчиков, считывающих активность двигательных нейронов, которые управляют мышцами. Датчики установлены на верхней части протеза, где он контактирует с конечностью, и улавливают сигналы от культи, например, когда пациент воображает кулак.
С помощью специального алгоритма сигналы двигательных нейронов в управляющем чипе преобразуются в комбинации движений, создаваемые пневмонасосом. Например, когда человек представляет, что держит бокал с вином, датчики улавливают остаточные мышечные сигналы, которые чип затем переводит в соответствующее давление. Насос создает это давление, чтобы надуть каждый палец и удержать реальный бокал.
Еще одно достоинство нового протеза – тактильная обратная связь, которая отсутствует в большинстве коммерческих нейропротезов. Для ее создания разработчики прикрепили к каждому пальцу датчик давления, который при прикосновении или нажатии генерирует электрический сигнал, пропорциональный ощущаемому давлению. Каждый датчик взаимодействует с определенным участком кожи на остаточной конечности, поэтому пользователь может «чувствовать», когда, например, большой палец протеза соприкасается с указательным.
Чтобы протестировать новый протез, исследователи привлекли двух добровольцев, у каждого из которых были ампутированы верхние конечности. Они научились пользоваться им, многократно сокращая мышцы руки и одновременно представляя себе пять определенных движений.
После завершения такой 15-минутной тренировки добровольцев попросили выполнить ряд тестов, чтобы продемонстрировать силу и ловкость рук. Эти задачи включали в себя переворачивание книжных страниц, письмо ручкой, подъем тяжелых шаров и легких предметов, таких как клубника и хлеб. Они повторили те же тесты, используя более жесткую, коммерчески доступную бионическую руку, и сообщили, что надувной протез был так же удобен или даже лучше в большинстве задач по сравнению с его аналогом.
Один доброволец также смог интуитивно использовать мягкий протез в повседневной деятельности: брать и подносить ко рту крекеры, пирожные и яблоки, обращаться с различными предметами и инструментами – ноутбуком, бутылками, молотком и плоскогубцами. Этот участник также научился более мягким движениям, например, пожимать кому-то руку, прикасаться к цветку или гладить кошку.
Чудеса его ловкости показаны в начале, а медленный и трудный процесс тренировки – в конце ролика на YouTube.
В одном из упражнений исследователи завязали добровольцу глаза и обнаружили, что он может различить, какого протезного пальца они касаются. Он также смог «почувствовать» бутылки разных размеров, которые были помещены в протезную руку, и поднял их. Авторы рассматривает эти тесты как перспективный признак того, что люди с ампутированными конечностями могут восстановить тактильные ощущения с помощью надувного протеза.
Группа подала заявку на патент и работает над улучшением чувствительности и точности движений.
Статья G.Gu et al. A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
Амина Ибрагимова, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам MIT: Inflatable robotic hand gives amputees real-time tactile control.