Роботизированная рука для пациентов с ампутированными конечностями: тактильный контроль в реальном времени
Для более чем 5 млн человек в мире, которые перенесли ампутацию верхних конечностей, протезирование прошло долгий путь. Помимо традиционных придатков, напоминающих манекены, растет число коммерческих нейропротезов — биотических конечностей с высокой степенью сочленения, разработанных для восприятия остаточных мышечных сигналов пациента и роботизированной имитации их предполагаемых движений.
Однако у этой высокотехнологичной ловкости есть своя цена. Нейропротезирование может стоить десятки тысяч долларов и строится на основе металлических каркасов с электродвигателями, которые могут быть тяжелыми и жесткими.
Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) и Шанхайского университета Джао Тонг разработали мягкую, легкую и потенциально недорогую нейропротезную руку. Люди с ампутированными конечностями, которые тестировали протез, выполняли повседневные действия — застегивали молнию на чемодане, наливали сок из коробки и гладили кошку.
Все это у них получилось делать так же хорошо, а в некоторых случаях даже лучше, чем у людей с более жесткими нейропротезами. Исследователи обнаружили, что протез, разработанный с системой тактильной обратной связи, восстановил некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца.
Также новый дизайн удивительно прочен, быстро восстанавливается после удара молотком или наезда автомобилем. Умная рука мягкая и эластичная, весит около 200 г. Стоимость ее компонентов составляет около $500. Это небольшая часть веса и стоимости материалов более жестких умных конечностей.
«Это еще не продукт, но эффективность уже аналогична существующим нейропротезам или превосходит их, что нам очень нравится. Существует огромный потенциал сделать этот мягкий протез по очень низкой цене для семей с низким доходом, которые пострадали от ампутации»
Дизайн руки напоминает надувного робота из мультфильма «Город героев». Искусственная рука сделана из мягкого эластичного материала — коммерческого эластомера EcoFlex. Протез состоит из пяти пальцев, каждый из которых покрыт сегментами волокна, подобно сочлененным костям настоящих пальцев. Они соединены с трехмерной «ладонью», имеющей форму человеческой руки.
Вместо того, чтобы установить управление каждым пальцем с помощью электродвигателей, как в большинстве нейропротезов, исследователи использовали простую пневматическую систему для точного надувания пальцев и сгибания их в определенных положениях. Эту систему, состоящую из небольшого насоса и клапанов, можно носить на поясе, что значительно снижает вес самого протеза.
Команда разработала компьютерную модель, чтобы связать желаемое положение пальца с соответствующим давлением, которое насос должен приложить для достижения этого положения. Исследователи также разработали контроллер, который направляет пневматическую систему надувать пальцы в положения, имитирующие пять обычных захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе и сжатие кулака.
Пневматическая система принимает сигналы от ЭМГ — датчиков электромиографии, которые измеряют электрические сигналы, генерируемые мотонейронами для управления мышцами. Датчики устанавливаются в отверстие протеза, где он прикрепляется к конечности пользователя. Они могут улавливать сигналы от остаточной конечности — к примеру, когда человек с ампутированной конечностью представляет, как сжимает кулак.
Специальный алгоритм «декодирует» мышечные сигналы и связывает их с распространенными типами захватов. Инженеры использовали этот алгоритм для программирования контроллера своей пневматической системы.
Когда человек представляет, что держит бокал для вина, датчики улавливают остаточные мышечные сигналы, которые контроллер преобразует в соответствующие давления. Затем помпа прикладывает это давление, чтобы надуть каждый палец и добиться желаемого захвата для пользователя.
Исследователи стремились добавить обратную тактильную связь — функцию, которая не включена в большинство коммерческих нейропротезов. Для этого они прикрепили к каждому кончику пальца датчик давления, который при соприкосновении или сжатии выдает электрический сигнал, пропорциональный ощущаемому давлению. Каждый датчик подключается к определенному месту на остаточной конечности человека, поэтому он может «почувствовать», когда, например, нажимает большим пальцем, а не указательным.
Для проверки роботизированной руки исследователи привлекли двух добровольцев, каждому из которых была ампутирована верхняя конечность. После того, как они надели нейропротез, они научились пользоваться им, многократно сокращая мышцы руки, представляя, как делают пять общих захватов.
После завершения 15-минутной тренировки их попросили выполнить ряд стандартных тестов, чтобы продемонстрировать силу и ловкость рук — складывание шашек, перелистывание страниц, письмо ручкой, поднятие тяжелых мячей и сбор хрупких предметов (таких как клубника). Они повторили эти тесты, используя более жесткую бионическую руку, и выяснили, что надувной протез был таким же хорошим или даже лучше.
Один из добровольцев смог интуитивно использовать мягкий протез в повседневной деятельности — есть пищу (даже крекеры) и обращаться с различными предметами (ноутбуки, бутылки, молотки и плоскогубцы). Он смог безопасно манипулировать протезом, чтобы пожать кому-то руку, прикоснуться к цветку или погладить кошку.
Самое захватывающее упражнение: исследователи завязали добровольцу глаза и обнаружили, что он может различать, какой палец они потрогали. Также у него получилось «почувствовать» бутылки разного размера, которые помещались в протез. Команда рассматривает эти эксперименты как многообещающий признак того, что пациенты с ампутированными конечностями могут восстановить форму чувствительности и контроля в реальном времени с помощью надувной руки.
