Robotyczne kończyny, które łączą się z mózgiem

Większość ramion robotycznych używanych obecnie przez niektóre osoby po amputacji ma ograniczoną praktyczność; mają tylko dwa do trzech stopni swobody, umożliwiając użytkownikowi wykonanie jednego ruchu na raz. Są one kontrolowane poprzez świadomy wysiłek, co oznacza, że ​​użytkownik nie może robić nic więcej podczas poruszania kończyną.

Realistyczne kończyny: Sterowana mózgiem proteza ramienia, opracowywana w Applied Physics Lab na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa przy wsparciu finansowym DARPA, może umożliwić osobom po amputacji wykonywanie znacznie bardziej wyrafinowanych ruchów.

Nowa generacja znacznie bardziej wyrafinowanych i realistycznych ramion protetycznych, sponsorowanych przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony (DARPA), może być dostępna w ciągu najbliższych 5–10 lat. Dwa różne prototypy, które poruszają się ze zręcznością naturalnej kończyny i teoretycznie można je kontrolować tak samo intuicyjnie – za pomocą sygnałów elektrycznych rejestrowanych bezpośrednio z mózgu – rozpoczynają teraz testy na ludziach.

Wstępne wyniki jednego z tych badań – pierwsze testy sparaliżowanego człowieka kontrolującego ramię robota o wielu stopniach swobody – zostaną zaprezentowane na konferencji Society for Neuroscience w listopadzie.

Nowe projekty mają około 20 stopni niezależnego ruchu, co stanowi znaczny skok w stosunku do istniejących protez i można je obsługiwać za pomocą różnych interfejsów. Jedno urządzenie, opracowane przez Badania i rozwój DEKA , można świadomie sterować za pomocą systemu dźwigni w bucie.

W bardziej inwazyjnym, ale również bardziej intuicyjnym podejściu, osoby po amputacji przechodzą operację przeniesienia pozostałych nerwów z utraconych kończyn do mięśni klatki piersiowej. Myśl o poruszaniu ramieniem napina mięśnie klatki piersiowej, co z kolei przesuwa protezę. Ale to podejście działa tylko u osób z wystarczającą pozostałą pojemnością nerwów i zapewnia ograniczony poziom kontroli. Aby w pełni wykorzystać zręczność tych protez i sprawić, by działały jak prawdziwe ramię, naukowcy chcą kontrolować je za pomocą sygnałów mózgowych.

Kiedy podnosisz przedmiot, twój mózg automatycznie wie, jak obracać nadgarstek i poruszać palcami, mówi Michael McLoughlin, który nadzoruje rozwój jednej z protez w Laboratorium Fizyki Stosowanej (APL) na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa. Chcemy sprawnej kończyny i możliwości kontrolowania jej w naturalny sposób, a także pewnego poziomu dotykowej informacji zwrotnej.

Od pięciu lat trwają ograniczone testy implantów nerwowych u poważnie sparaliżowanych pacjentów. Do tej pory około pięciu osobom wszczepiono chipy, które były w stanie kontrolować kursory na ekranie komputera, prowadzić wózek inwalidzki, a nawet otwierać i zamykać chwytak na bardzo prostym ramieniu robota. Dokładniejsze testy na małpach, którym wszczepiono chip korowy, pokazują, że zwierzęta mogą nauczyć się kontrolować stosunkowo prostą protezę ręki w użyteczny sposób, używając jej do chwytania i jedzenia kawałka pianki.

Następnym dużym krokiem jest pytanie, ile wymiarów możesz kontrolować? mówi John Donoghue , neurolog z Brown University, który opracowuje interfejsy mózg-komputer. Sięganie po wodę i przynoszenie jej do ust wymaga około siedmiu stopni swobody. Całe ramię ma około 25 stopni swobody. Grupa Donoghue, która nadzorowała poprzednie testy implantów korowych u pacjentów, ma teraz dwóch sparaliżowanych ochotników testujących ramię DEKA. Naukowcy z APL opracowali drugą protezę ramienia z jeszcze większym repertuarem możliwych ruchów i złożyli wniosek o pozwolenie na rozpoczęcie testów na ludziach. Ich celem jest rozpoczęcie wszczepiania pacjentom po urazie rdzenia kręgowego w 2011 roku, we współpracy z naukowcami z University of Pittsburgh i Caltech.

Ochotnicy biorący udział w tym badaniu otrzymają dwa różne chipy korowe, z których każdy zawiera 100 elektrod rejestrujących. Naukowcy mają nadzieję, że podwojenie zdolności słuchania mózgu zapewni wystarczającą ilość niezależnych sygnałów, aby umożliwić bardziej złożone ruchy zaawansowanego ramienia APL. To bardzo zręczne i antropomorficzne ramię, mówi Andrzeja Schwartza , jeden z neurologów biorących udział w badaniu. Przepustowość informacji potrzebna do sterowania urządzeniem jest znacznie wyższa.

Naukowcy z Pittsburgha przetestują również nowe chipy w połączeniu z systemami telemetrycznymi, które przetwarzają część informacji zapisanych na chipie przed wysłaniem ich do procesora wszczepionego w klatkę piersiową. Procesor następnie bezprzewodowo steruje ramieniem. Obecne wersje używane u ludzi i małp wysyłają informacje przez przewody wychodzące z czaszki, co zwiększa ryzyko infekcji w dłuższej perspektywie. Chociaż nowa konfiguracja będzie nieco podobna do tej stosowanej w rozrusznikach serca i urządzeniach do głębokiej stymulacji mózgu, proteza ramienia wykonuje bardziej złożone funkcje niż rozrusznik, dlatego do jego kontrolowania potrzeba więcej informacji. Żadne wszczepialne urządzenie nie ma systemu telemetrycznego zdolnego do takiej przepustowości, mówi Schwartz. Ta technologia będzie dużym krokiem.

Badacze z Pittsburgha ostatecznie dążą do dodania zdolności sensorycznych do ramion, dodając materiały, które mogą wykrywać ciepło i inne właściwości oraz przekazywać te informacje do trzeciego chipa wszczepionego do części mózgu, która przetwarza bodźce zmysłowe.

Nie jest jeszcze jasne, jaki będzie najwyższy poziom złożoności w zakresie kontrolowania ramienia. Mamy nadzieję, że osiągniemy co najmniej 11 stopni swobody, mówi Schwartz. Jego zespół opracował algorytmy, które mogą w czasie rzeczywistym określić siedem stopni swobody poruszania się małp. Jak przejdziemy do 20 lub 30 lat? Nie wiemy, może będziemy potrzebować nowych algorytmów, może więcej elektrod – mówi Schwartz.

Nawet jeśli testy zakończą się pomyślnie, badacze stoją przed dużym wyzwaniem; muszą wykazać, że inwazyjny system kontroli korowej jest znacznie lepszy niż metody nieinwazyjne. Osoby po amputacji korzystające z interfejsu sterowanego butem mogą podnosić pudełka, obsługiwać wiertarkę, a nawet używać pałeczek. Gdybyś był po amputacji i możesz to zrobić za pomocą butów, czy miałbyś czujnik umieszczony w mózgu? pyta Donoghue. Może to być kwestia osobistych preferencji oraz poziomu ryzyka i korzyści, które każda osoba jest w stanie tolerować. Możesz, ponieważ jest to bardziej naturalne i możesz chodzić i robić inne rzeczy.

ukryć