Роботизована рука для пацієнтів з ампутованими кінцівками: тактильний контроль у реальному часі
Для понад 5 млн людей у світі, які перенесли ампутацію верхніх кінцівок, протезування пройшло довгий шлях. Окрім традиційних протезів, що нагадують манекени, зростає кількість комерційних нейропротезів — біотичних кінцівок з високим ступенем зчленування, розроблених для сприйняття залишкових м'язових сигналів пацієнта та роботизованої імітації їхніх передбачуваних рухів.
Однак за цю високотехнологічну спритність є своя ціна. Нейропротезування може коштувати десятки тисяч доларів і будується на металевих каркасах з електродвигунами, які можуть бути важкими і жорсткими.
Інженери Массачусетського технологічного інституту (MIT) і Шанхайського університету Цзяо Тун розробили м'яку, легку і потенційно недорогу нейропротезну руку. Люди з ампутованими кінцівками, які тестували протез, виконували повсякденні дії — застібали блискавку на валізі, наливали сік з коробки і гладили кота.
Усе це у них виходило так само добре, а в деяких випадках навіть краще, ніж у людей із жорсткішими нейропротезами. Дослідники виявили, що протез, розроблений із системою тактильного зворотного зв'язку, відновив деякі примітивні відчуття в залишковій кінцівці добровольця.
Також новий дизайн напрочуд міцний, швидко відновлюється після удару молотком або наїзду автомобіля. Розумна рука м'яка і еластична, важить близько 200 г. Вартість її компонентів становить близько $500. Це невелика частка ваги і вартості матеріалів жорсткіших розумних кінцівок.
«Це ще не продукт, але ефективність уже аналогічна існуючим нейропротезам або перевищує їх, що нам дуже подобається. Існує величезний потенціал зробити цей м'який протез за дуже низькою ціною для малозабезпечених сімей, які постраждали від ампутації»
Дизайн руки нагадує надувного робота з мультфільму «Місто героїв». Штучна рука зроблена з м'якого еластичного матеріалу — комерційного еластомеру EcoFlex. Протез складається з п'яти пальців, кожен з яких покритий сегментами волокна, подібно до зчленованих кісток справжніх пальців. Вони з'єднані з тривимірною «долонею», що має форму людської руки.
Замість того, щоб встановлювати керування кожним пальцем за допомогою електродвигунів, як у більшості нейропротезів, дослідники використали просту пневматичну систему для точного надування пальців і згинання їх у визначених положеннях. Цю систему, що складається з невеликого насоса і клапанів, можна носити на поясі, що значно знижує вагу самого протеза.
Команда розробила комп'ютерну модель, щоб пов'язати бажане положення пальця з відповідним тиском, який насос має прикласти для досягнення цього положення. Дослідники також розробили контролер, який спрямовує пневматичну систему надувати пальці в положення, що імітують п'ять звичайних хватів, включно зі стисканням двох і трьох пальців разом та стисканням кулака.
Пневматична система приймає сигнали від ЕМГ — датчиків електроміографії, які вимірюють електричні сигнали, що генеруються мотонейронами для керування м'язами. Датчики встановлюються в отвір протеза, де він прикріплюється до кінцівки користувача. Вони можуть вловлювати сигнали від залишкової кінцівки — наприклад, коли людина з ампутованою кінцівкою уявляє, як стискає кулак.
Спеціальний алгоритм «декодує» м'язові сигнали і пов'язує їх із поширеними типами хватів. Інженери використали цей алгоритм для програмування контролера своєї пневматичної системи.
Коли людина уявляє, що тримає келих для вина, датчики вловлюють залишкові м'язові сигнали, які контролер перетворює на відповідні тиски. Потім помпа прикладає цей тиск, щоб надути кожен палець і досягти бажаного хвату для користувача.
Дослідники прагнули додати зворотний тактильний зв'язок — функцію, яка не увімкнена в більшості комерційних нейропротезів. Для цього вони прикріпили до кожного кінчика пальця датчик тиску, який при дотику або стисканні видає електричний сигнал, пропорційний відчутному тиску. Кожен датчик підключається до певного місця на залишковій кінцівці людини, тому він може «відчути», коли, наприклад, натискає великим пальцем, а не вказівним.
Для перевірки роботизованої руки дослідники залучили двох добровольців, кожному з яких була ампутована верхня кінцівка. Після того, як вони надягли нейропротез, вони навчилися ним користуватися, багаторазово скорочуючи м'язи руки, уявляючи, як роблять п'ять загальних хватів.
Після завершення 15-хвилинного тренування їх попросили виконати низку стандартних тестів, щоб продемонструвати силу і спритність рук — складання шашок, перегортання сторінок, письмо ручкою, підняття важких м'ячів і збирання крихких предметів (таких як полуниця). Вони повторили ці тести, використовуючи жорсткішу біонічну руку, і з'ясували, що надувний протез був таким самим добрим або навіть кращим.
Один із добровольців зміг інтуїтивно користуватися м'яким протезом у повсякденній діяльності — їсти їжу (навіть крекери) і поводитися з різними предметами (ноутбуки, пляшки, молотки і плоскогубці). Він зміг безпечно маніпулювати протезом, щоб потиснути комусь руку, торкнутися квітки або погладити кота.
Найцікавіша вправа: дослідники зав'язали добровольцю очі і виявили, що він може розрізнити, який палець вони торкнулися. Також йому вдалося «відчути» пляшки різного розміру, які поміщалися в протез. Команда розглядає ці експерименти як перспективний знак того, що пацієнти з ампутованими кінцівками можуть відновити форму чутливості і контролю в реальному часі за допомогою надувної руки.
