Киберноги и руки-роботы: как устроены бионические протезы

Протезы, которые управляются силой мысли, – это уже реальность

24 февраля 2015 года в журнале «Ланцет» была опубликована статья, описывающая инновационную операцию, получившую название «бионической реконструкции». Провел ее доктор Оскар Азманн в Медицинском университете Вены (Австрия). Реконструкция не стала уникальной: ее удалось повторить трижды, заменяя ампутированную кисть руки протезом, контролировать который пациент может силой мысли.

Фото с сайта engadget.com

Происходящее, однако, не имеет никакого отношения к телепортации: все сугубо материально и основано на простых физических расчетах.

Все 3 пациента перенесли серьезные травмы, приведшие к повреждению плечевого сплетения – пучка нервов, бегущих от позвоночника к кисти. Несмотря на все усилия врачей рука оставалась парализованной. Часть нервных волокон передавала сигнал, но нервный импульс был недостаточен для того, чтобы пациент смог двигать кистью. А если бы у кисти был дополнительный источник энергии, своеобразная батарейка, которую можно было заряжать от сети? Этого нельзя достичь с реальной кистью из плоти и крови, но можно попытаться заменить ее протезом, снимаемым на ночь для подзарядки.

Идея проста, но осуществление нужно было тщательно продумать и филигранно выполнить.

Прежде всего, чтобы усилить руку, пациентам пересадили туда ножные мышцы. В течение трех месяцев доктор Азманн ждал, чтобы нервные волокна проросли в новую мышечную ткань, а затем некоторое время работал над их активацией с помощью браслета с искусственными электрическими датчиками. Затем пациенты научились управлять «виртуальной» рукой, и, наконец, Азманн ампутировал кисти пациентов и заменил их протезами, контролируемыми мышцами руки и датчиками.

У всех трех пациентов их протезы работают гораздо лучше, чем кисти после травмы. Все трое могут держать предметы, наливать воду в стакан из кувшина и даже застегивать пуговицы. Постепенно моторика совершенствуется, и количество функций кисти увеличивается. Если сначала в стандартном тесте на функционирование кисти пациенты Азманна набирали только 9 баллов из 100, то сейчас их оценка – 65.

Самая большая проблема заключается в том, чтобы вернуть кисти осязание: именно оно дает человеку ощущение контакта с реальностью, оно же является ключевым в осуществлении мелких моторных функций кисти. Над этой проблемой работает группа Дастина Тайлера в Медицинском центре ветеранов имени Льюиса Стоукса, (Кливленд, США).

Двум пациентам, потерявшим кисти на производстве, экспериментаторы вживили в своеобразный манжет электродов вокруг трех нервных каналов, проводящих осязательный сигнал от кисти к мозгу. Электроды, стимулирующие различные участки нервного волокна, были присоединены проводами к устройству, передающему импульсы различной частоты, и непосредственно к протезу кисти.

Команда подключала все пальцы по очереди, и испытуемый сообщил о покалывании в большом пальце, потом в указательном и так далее. Наконец, он снова ощутил утраченную кисть.

Фото с сайта newscientist.com

Когда мы дотрагиваемся руками до различных поверхностей, это вызывает различные паттерны активности нервных каналов. Исследователи смоделировали реальность с помощью изменений частоты и интенсивности электрических импульсов. Пришлось немало потрудиться, пока ощущения стали реальными. Экспериментальным путем группа Тайлера установила, какие паттерны воссоздают ощущение легкого прикосновения к кончику шариковой ручки, поглаживанию пальца другим пальцем или ватным тампоном.

Итак, схема действия осязания такая:
1. датчики на протезе получают информацию об объекте, к которому прикасается испытуемый, и посылают ее на внешнее устройство;
2. внешнее устройство передает соответствующий паттерн импульсов манжету электродов;
3. электроды посылают по нервным каналам соответствующий сигнал в мозг;
4. мозг интерпретирует сигнал как прикосновение к поверхности конкретной структуры.

Фото с сайта technews21.com

Пока что исследователи на полпути к цели: система должна стать беспроводной. Сейчас, выходя из лаборатории, пациенты оставляют в ней осязание, обеспеченное компьютерной медиацией между датчиками и мозгом. Они, однако, могут теперь не только рубить дрова: существенно улучшилось ощущение размера объекта и регуляция давления на него, так что при помощи протеза пациенты могут держать в руке вишенку и оторвать стебелек, не раздавив ее. Кстати, сеансы осязания имели для пациентов совершенно неожиданный и весьма приятный побочный эффект: прекратились фантомные боли, которые часто преследуют людей, потерявших конечность.

Руководитель группы Дастин Тайлер считает, что потребуется еще несколько лет для разработки беспроводного бионического протеза с регулирующим устройством, которое можно будет носить в кармане.

Еще более амбициозным проектом занимаются исследователи Питтсбургского университета (Пенсильвания, США) под руководством Дженнифер Коллинджер: они смогли «обучить» руку-робот брать объект по команде мозга пациентки, практически полностью парализованной (от шеи и ниже) в результате тяжелой травмы позвоночника. Электроды, вживленные в мозг женщины, посылали сигнал на компьютерное устройство, исследователи выделили паттерны, соответствующие желанию взять предмет, а затем транслировали их в команды для руки-робота. В результате удалось добиться того, что по желанию пациентки кисть принимает форму ковша, щепотки, поднимает большой палец, а вся рука-робот имеет 10 степеней свободы движения. С помощью нее пациентка может, например, взять небольшую бутылочку, поднести ее к губам и через соломинку тянуть напиток.

Пока что, однако, используется лишь порядка 10-20% возможностей робота в силу несовершенства системы доставки информационных сигналов к мозгу от руки и обратно. Чтобы использовать все его возможности, необходимо скооперироваться с группой Тайлера и найти способ передачи в мозг пациента осязательных ощущений руки-робота. Для этого придется разрешить непростую проблему: как производить обработку информации о желании совершить движение, о котором сигнализирует одна зона коры, и одновременно стимулировать другую зону мозга для воспроизведения осязательного ощущения. Но и в этом направлении уже сделаны серьезные шаги.

Группа исследователей Отделения биологии и биоинженерии Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) создала устройство, фильтрующее сигналы электродов и позволяющее одновременно двигать внешним роботическим протезом и получать от него осязательный сигнал. Пока что его имплантировали приматам, которые в результате оказались способны к распознаванию спрятанных объектов «наощупь». Следующий этап – осуществить то же самое для человека.

Фото с сайта dailymail.co.uk

Большая часть исследований об «оживлении» бионических протезов конечностей посвящена рукам, и это неслучайно. Руки играют ключевую роль в жизнедеятельности человека, в то время как функции ног гораздо более успешно заменяются в наше время разнообразной машинерией. Но и нижние конечности не стоят в стороне. Идет активная работа над интернациональным проектом «Киберноги» (Cyberlegs) с центром в Италии.

Фото с сайта engadget.com

Система «Киберноги» состоит из «смартшузов», то есть умных туфлей, снабженных датчиками давления и приборами измерения инерции, собственно, конечности, а также алгоритма декодирования намерений пациента, способного уловить, хочет ли субъект пойти, встать, сесть, подняться вверх или спуститься по ступеням, и в соответствии с этим адаптировать положение ножного протеза. Если пациенту требуется дополнительная помощь в движении бедер, его снабжают специальным набедренным поясом. Система регулирует как взаимодействие протеза с его носителем с учетом индивидуального характера движения его тела, так и с поверхностью, по которой он движется.

Система апробирована на одиннадцати добровольцах, и сейчас очевидно, что нужно снизить вес протеза и уменьшить его размер для комфорта пациентов. Разработчики надеются, что если не будет перебоев с финансированием, бионические ноги будут полностью готовы к использованию через 2-3 года.

Источники:

Prosthetic hand recreates feeling of cotton bud touch

Thought control makes robot arm grab and move objects

Cyberlegs project wants to equip amputees with robotic limbs

Мы просим подписаться на небольшой, но регулярный платеж в пользу нашего сайта. Милосердие.ru работает благодаря добровольным пожертвованиям наших читателей. На командировки, съемки, зарплаты редакторов, журналистов и техническую поддержку сайта нужны средства.