Протезирование позволяет выполнять широкий спектр повседневных дел, таких как застегивание чемодана, рукопожатие и ласка кошки.
Для более чем 5 миллионов человек в мире, перенесших ампутацию верхней конечности, протезирование прошло долгий путь. Помимо традиционных придатков, похожих на манекены, растет число коммерческих нейропротезов - бионических конечностей с высокой степенью сочленения, разработанных для восприятия остаточных мышечных сигналов пользователя и роботизированного имитации их предполагаемых движений.
Но за эту высокотехнологичную ловкость приходится расплачиваться. Нейропротезирование может стоить десятки тысяч долларов и строится на основе металлических каркасов с электродвигателями, которые могут быть тяжелыми и жесткими.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тонг разработали мягкую, легкую и потенциально недорогую нейропротезную руку. Люди с ампутированными конечностями, которые тестировали протез, выполняли повседневные действия, например, застегивали молнию на чемодане, наливали картонный сок и гладили кошку, так же хорошо, а в некоторых случаях и лучше, чем те, которые использовали более жесткие нейропротезы.
Исследователи обнаружили, что протез, разработанный с системой тактильной обратной связи, восстановил некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца. Новый дизайн также удивительно прочен, быстро восстанавливается после удара молотком или наезда автомобилем.
Умная рука мягкая и эластичная, и весит около полфунта. Стоимость его компонентов составляет около 500 долларов - это небольшая часть веса и стоимости материалов, связанных с более жесткими умными конечностями.
«Это еще не продукт, но по своим характеристикам он уже аналогичен существующим нейропротезам или превосходит их, что нам очень нравится», - говорит Сюань Хэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды в Массачусетском технологическом институте. «Есть огромный потенциал сделать этот мягкий протез по очень низкой цене для семей с низким доходом, которые пострадали от ампутации».
Чжао и его коллеги опубликовали сегодня свою работу в журнале Nature Biomedical Engineering . Среди соавторов - постдок из Массачусетского технологического института Шаотин Линь, а также Гоин Гу, Сянъян Чжу и сотрудники из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае.
Рука большого героя
Новый гибкий дизайн команды странно напоминает некоего надувного робота из мультфильма «Большой герой 6». Как и мягкий андроид, искусственная рука команды сделана из мягкого эластичного материала - в данном случае коммерческого эластомера EcoFlex. Протез состоит из пяти пальцев, похожих на баллоны, каждый из которых покрыт сегментами волокна, подобными сочлененным костям настоящих пальцев. Изогнутые цифры соединены с трехмерной «ладонью», имеющей форму человеческой руки.
Вместо того, чтобы управлять каждым пальцем с помощью установленных электродвигателей, как это делают большинство нейропротезов, исследователи использовали простую пневматическую систему для точного надувания пальцев и сгибания их в определенных положениях. Эту систему, включающую небольшой насос и клапаны, можно носить на поясе, что значительно снижает вес протеза.
Линь разработал компьютерную модель, чтобы связать желаемое положение пальца с соответствующим давлением, которое насос должен приложить для достижения этого положения. Используя эту модель, команда разработала контроллер, который направляет пневматическую систему для надувания пальцев в положениях, имитирующих пять обычных захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе, сжатие кулака и сжатие ладони.
Пневматическая система принимает сигналы от датчиков ЭМГ - датчиков электромиографии, которые измеряют электрические сигналы, генерируемые мотонейронами для управления мышцами. Датчики устанавливаются в отверстии протеза, где он прикрепляется к конечности пользователя. При таком расположении датчики могут улавливать сигналы от остаточной конечности, например, когда человек с ампутированной конечностью воображает, как сжимает кулак.
Затем команда использовала существующий алгоритм, который «декодирует» мышечные сигналы и связывает их с распространенными типами хватания. Они использовали этот алгоритм для программирования контроллера своей пневматической системы. Когда человек с ампутированной конечностью представляет, например, что он держит бокал с вином, датчики улавливают остаточные мышечные сигналы, которые затем контроллер преобразует в соответствующие давления. Затем помпа применяет это давление, чтобы надуть каждый палец и произвести желаемый захват инвалида.
Сделав еще один шаг в своем дизайне, исследователи стремились включить тактильную обратную связь - функцию, которая не включена в большинство коммерческих нейропротезов. Для этого они прикрепили к каждому кончику пальца датчик давления, который при прикосновении или сжатии выдает электрический сигнал, пропорциональный ощущаемому давлению. Каждый датчик подключается к определенному месту на остаточной конечности человека с ампутированной конечностью, поэтому пользователь может «чувствовать», когда, например, на протезе нажимают на большой палец, а не на указательный.
Хорошее сцепление
Чтобы протестировать надувную руку, исследователи привлекли двух добровольцев, каждому из которых была ампутирована верхняя конечность. После того, как добровольцы оснастили нейропротезом, они научились пользоваться им, многократно сокращая мышцы руки, воображая, что они делают пять общих захватов.
После завершения 15-минутной тренировки добровольцев попросили выполнить ряд стандартных тестов, чтобы продемонстрировать силу и ловкость рук. Эти задания включали складывание шашек, перелистывание страниц, письмо ручкой, поднятие тяжелых мячей и сбор хрупких предметов, таких как клубника и хлеб. Они повторили те же тесты, используя более жесткую, имеющуюся в продаже бионическую руку, и обнаружили, что надувной протез был таким же хорошим или даже лучше в большинстве задач по сравнению с его жестким аналогом.
Один доброволец также мог интуитивно использовать мягкий протез в повседневной деятельности, например, чтобы есть пищу, такую как крекеры, пирожные и яблоки, а также обращаться с предметами и инструментами, такими как ноутбуки, бутылки, молотки и плоскогубцы. Этот доброволец также мог безопасно манипулировать мягким протезом, например, пожать кому-нибудь руку, дотронуться до цветка или погладить кошку.
В особенно захватывающем упражнении исследователи завязали глаза добровольцу и обнаружили, что он может различить, какой протез пальца он ткнул и задел. Он также смог «почувствовать» бутылки разного размера, помещенные в протез руки, и поднял их в ответ. Команда рассматривает эти эксперименты как многообещающий признак того, что инвалиды могут восстановить форму чувствительности и контроля в реальном времени с помощью надувной руки.
Команда подала патент на дизайн через Массачусетский технологический институт и работает над улучшением чувствительности и диапазона движений.
«Теперь у нас есть четыре типа захватов. Может быть больше », - говорит Чжао. «Эта конструкция может быть улучшена с помощью более совершенной технологии декодирования, миоэлектрических матриц с более высокой плотностью и более компактной помпы, которую можно было бы носить на запястье. Мы также хотим настроить дизайн для массового производства, чтобы мы могли использовать мягкие роботизированные технологии на благо общества ».