Искусственная рука должна двигаться, как настоящая, и чувствовать, как настоящая. Ещё двадцать-тридцать лет назад такие протезы можно было увидеть разве что в кино. Постепенно двигающиеся и чувствующие искусственные руки всё чаще стали появляться не только в художественной фантастике, но и в научных статьях. Однако не стоит думать, что бионические протезы, неотличимые от естественных конечностей, стали обычным делом – только сейчас в журнале Science Robotics вышла статья, в которой описана двигающаяся и чувствующая искусственная рука, которую можно использовать, так сказать, в повседневной жизни.
Речь идёт о протезе, который заменяет руку, ампутированную чуть ниже локтя. Чтобы такой рукой можно было что-то взять, к механическим пальцам должны прибежать соответствующие команды, а команды нужно расшифровать из нервных сигналов. Мы часто слышим про нейрокомпьютерные интерфейсы: с их помощью можно извлечь членораздельную речь прямо из мозга. Однако с рукой нет нужды забираться прямо в мозг: в руке есть нервы, по которым из мозга бегут команды к мышцам руки. Только вместо мышц нужно перенаправить их в бионический механизм.
И тут возникает проблема, как распознать нужные нейронные команды. Их считывают не прямо с нервов, а с мышц, оставшихся в месте ампутации. Нервы возбуждают в мышцах определённую электрическую активность, и по электромышечным сигналам намного проще понять, что за команда прибежала из мозга: электроды вводят в остатки мышц – эти остатки не могут совершить никакого движения, но могут сообщить электродам, какого рода движение имеется в виду. Однако мышцы сами по себе сложно устроены; и если рука ампутирована около локтя, то довольно непросто понять по оставшимся в ней мышцам, как должны двигаться отсутствующие пальцы. Сотрудники из Технического университета Чалмерса, Академии Сальгренска при Университете Гетеборга и других научных центров Швеции, Италии и Австралии добавили в ампутированное место крохотные кусочки мышц, взятые из бедра добровольца – женщины по имени Карин, потерявшей руку более 20 лет назад и согласившейся поучаствовать в эксперименте. К этим кусочкам мышц подвели разделённые волокна нервов, которые обычно идут дальше в руку единым пучком. Исследователи сделали так, как будто нервы уже достигли своих мышц-адресатов: они передавали сигналы имплантированным мышечным кусочкам, а электроды из этих кусочков снимали внятные двигательные сигналы. Можно сказать, что мышечные имплантаты служили чем-то вроде преобразователя сигнала для механической руки.
Кисть руки снабдили сенсорами, которые помогали управлять хватательной силой в пальцах, определять форму предметов на ощупь и т. д. Но тут возникает обратная проблема: как донести информацию от сенсоров к чувствительному нерву, который когда-то оборвался в месте ампутации? Для адекватной передачи сенсорной информации от искусственной руки исследователи использовали электрод, который надевался на нерв сверху, как манжета или муфта: такая конструкция позволяет нерву точно различать сенсорные ощущения (соответственно, в ответ мозг может точно дозировать хватательную силу).
Электроды соединены с проводами, а провода нужно как-то вывести из тела и ввести в механическую руку, да и саму механическую руку нужно как-то подсоединить к человеку. Соединение должно быть прочным и удобным, искусственная рука с механической точки зрения должна быть как настоящая, а электронные коммуникации должны быть закреплены абсолютно неподвижно. Здесь использовали титановые переходники, которые внедряются прямо в кости, локтевую и лучевую. Эти переходники, о которых мы уже как-то писали, придумали те же исследователи из Технического университета Чалмерса. Таким образом, протез крепится прямо на кость, а провода из тела в механическую руку идут внутри титановой конструкции.
Рука удалась – ей можно взять конфету, собрать чемодан, взять отвёртку и закрутить что-нибудь. Карин пользуется ею уже три года, снимая и надевая по мере надобности, причём у неё в значительной мере утихли и фантомные боли, которые оставались с ней много лет. Исследователи особо подчёркивают, что их протез годится именно для повседневного быта. С руками раньше такого не получалось (во всяком случае, с руками, ампутированными ниже локтя), а сейчас получилось благодаря новому улучшенному соединению. В перспективе эту руку можно совершенствовать дальше, усиливая её чувствительность, добавляя гибкости кисти, а может быть, оснащая её и какими-нибудь небиологическими роботизированными функциями.
16 октября 2023
Автор: Кирилл Стасевич
Статьи по теме: