Футуристическая бионическая рука помогает людям с ампутированными конечностями почувствовать прикосновение и движение
Мечты о будущем, в котором руки могут замещаться как у Люка Скайуокера, — это больше, чем научно-фантастическая история. Ученые разработали «бионическую руку», которая заручается поддержкой крошечных роботов, чтобы воссоздать жизненные ощущения, утраченные при потере верхней конечности. Боты делают это, безопасно вибрируя мышцы в месте ампутации.
Согласно отчету Grand View Research за 2021 год, к 2028 году мировой рынок протезирования и ортопедии достигнет капитализации более $8 млрд, но искусственные конечности столкнулись с серьезным препятствием. Они не могут передать многие интуитивные ощущения, которые помогают нам в повседневной жизни, например то, как мы сжимаем и разжимаем руки в кулаки.
Доцент кафедры биомедицинской инженерии медицинского колледжа Лернера Кливлендской клиники и ведущий автор исследования новой биотической руки, опубликованного в журнале Science Robotics, Пол Мараско заявил: «Мы все еще используем технологии, которые достигли своего апогея во время Второй мировой войны».
Теперь мир робототехники открыл для себя бионическую руку, гибрид металла и реалистичных оттенков кожи. Хотя есть несколько других команд, работающих над бионическими руками, например, группы, стоящие за популярными киберпанковскими играми Deus Ex и Metal Gear Solid, Мараско рекламирует несколько преимуществ своей версии.
Это научно-фантастическое устройство транслирует информацию напрямую в мозг и из него с помощью мощных роботов размером примерно с половину стандартного спичечного коробка. Превращая мысли в действия, рука может одновременно контактировать с мозгом, чтобы доставить ощущения, соответствующие предполагаемому действию.
Новая искусственная конечность — это первая бионическая рука, которая в реальном времени показывает свои преимущества по сравнению с типичным протезированием. Например, она воспроизводит механику естественных рук достаточно точно, чтобы восстановить бессознательные рефлексы у людей с ампутированными конечностями, которые ее используют.
Мы ежедневно полагаемся на такие рефлексы. Например, когда мы берем чашку кофе, наша рука находит кружку на столе, сжимает ручку с нужным уровнем твердости и отпускает ее в идеальное время, чтобы предотвратить проливание. Мы можем бездумно выполнить эту задачу даже в самое беспокойное утро, потому что наши нервы в мышцах рук автоматически реагируют на наш выбор — в данном случае: «Я должен выпить этот кофе».
Традиционные протезы не могут воссоздать такое плавное движение, потому что они работают в ручном режиме — люди с ампутированными конечностями должны постоянно следить за ними и беспокоиться о вещах, которые здоровый человек обычно списывает на интуицию.
После тестирования устройства на двух испытуемых и использования беспрецедентных аналитических инструментов команда была взволнована, обнаружив, что испытуемые вернулись к рефлексивному поведению, которое было до их ампутации, включая интуитивный захват и естественные движения глаз — они могли сосредоточить свое зрение вдали от конечности.
Металлическая рука требует трех компонентов: перестройки нервных окончаний, мини-роботов, которые работают как своего рода центр управления, и самой биотической руки. Стоит отметить, что в ходе хирургической процедуры неиспользуемые нервные окончания человека с ампутированной конечностью в здоровой части руки — те, которые раньше использовались для удаленных частей, таких как кончики пальцев — «вставляются» в место ампутации.
Мараско объясняет: «Ваш мозг знает, что ваши пальцы связаны с мышцей, он просто не знает, что эта мышца на вашем плече, а не мышца на предплечье». Бионическая рука помещается на место ампутации, а маленькие роботы вставляются в гнездо. Эти роботы нажимают на соответствующие области, стимулируя нервные окончания, которые теперь прикреплены, когда пациент касается руки.
Мускулы можно напрячь и почувствовать настолько интересные вещи, как иллюзии восприятия сложного движения рук. Исследователи модифицировали готовые протезы конечностей вместо того, чтобы начинать с нуля, надеясь быстро доставить устройства в реабилитационные клиники и сделать их более рентабельными, чем традиционные протезы. Люди, которые исследуют менее продвинутые протезы, часто чрезмерно злоупотребляют стороной своего тела без ампутации, что приводит к проблемам со спиной или плечом, которые в конечном итоге требуют дорогостоящей медицинской помощи.
«Эти передовые системы сначала кажутся дорогими, но если вы их используете, они не причинят вам вреда, потому что вам не нужно за них постоянно беспокоиться. В будущем биотические протезы будут стоить меньше»
В исследовании говорится: «Биотические протезы обладают восстановительным потенциалом. Однако сложное взаимодействие между интуитивным моторным управлением и осязанием, которое представляет собой отличительную черту функции верхней конечности человека, не было обнаружено. Здесь мы показываем, что нейробиотическое сочетание прикосновения, кинестезии захвата и интуитивного управления моторкой способствует повышению уровня поведенческих характеристик, которые стратифицированы в зависимости от работоспособности и отличаются от тех, которыми обладают пользователи стандартных протезов».
