Sztuczna ręka z prawdziwymi uczuciami

W ostatnich latach nastąpiły niezwykłe postępy mechaniczne w protezach kończyn, w tym zmiana okablowania włókien nerwowych w celu kontrolowania wyrafinowanych mechanicznych ramion (patrz Realistyczne ramię protetyczne ) oraz interfejsy mózgowe, które pozwalają na skomplikowaną kontrolę myśli (patrz Mózg pomaga czworonogom poruszać robotami rękami za pomocą myśli ). Ale pomimo całego tego postępu protezy kończyn nie mogą przesyłać informacji sensorycznych do użytkownika, co utrudnia mu wykonywanie zadań, takich jak podnoszenie przedmiotów bez ich miażdżenia lub utraty przyczepności.

Interfejs dotykowy : Nowy rodzaj interfejsu nerwowego daje użytkownikowi, Igorowi Speticowi, zmysł dotyku w 20 miejscach na jego protezie dłoni.

Teraz naukowcy z Cleveland Veterans Affairs Medical Center i Case Western Reserve University opracowali nowy rodzaj interfejsu, który może przekazać wrażenie dotyku z 20 miejsc na protezie ręki. Czyni to poprzez bezpośrednią stymulację wiązek nerwowych – znanych jako nerwy obwodowe – w ramionach pacjentów; do tej pory w interfejs zostały wyposażone dwie osoby. Co więcej, implanty nadal działają po 18 miesiącach, co jest ważnym kamieniem milowym, biorąc pod uwagę, że elektryczne interfejsy do tkanki nerwowej mogą stopniowo pogarszać się w działaniu.

DO wideo wyprodukowana kilka tygodni temu pokazuje 48-letniego mężczyznę z Ohio, który stracił prawą rękę w wypadku trzy lata temu, używając swojej protezy ręki do zbierania i usuwania łodyg wiśni bez zgniatania ich przez nadmierne wyciskanie. Stało się tak dzięki nowej technologii, która umożliwiła wykrywaczom siły na palcach jego protezy ręki przekazywanie informacji dotykowych bezpośrednio do trzech interfejsów nerwowych wielkości grochu, chirurgicznie wszczepionych w jego prawe przedramię. Kontroluje rękę za pomocą standardowej technologii zwanej interfejsem mioelektrycznym, która wykorzystuje sygnały z mięśni przedramienia do kierowania ruchami protezy ręki.

Prace otwierają możliwość, że protezy kończyn pewnego dnia mogą zapewnić ludziom trwałą i zniuansowaną informację zwrotną, mówi Dustin Tyler , profesor Case Western stojący za projektem.

Lee Miller , profesor neurologii na Northwestern University, który nie był zaangażowany w badania, mówi, że osiągnięcie wydaje się niezwykłe. Jest to największa liczba wyraźnych wrażeń dotykowych generowanych przez stymulację nerwów obwodowych, jaką znam, a 18-miesięczna stabilność jest również niezrównana, mówi Miller. Przygotowywany jest artykuł na temat pracy, mówi Tyler.

Ośrodek nerwowy : To 7-milimetrowe urządzenie, zwane elektrodą mankietową, może przekazywać odczucia z czujników na protezie ręki lub palców, gdy jest przymocowane do nerwu obwodowego w kikucie ramienia.

Sercem tej technologii jest niestandardowa wersja interfejsu znanego jako elektroda mankietowa. Trzy wiązki nerwów w ramieniu – promieniowe, środkowe i łokciowe – są utrzymywane w siedmiomilimetrowych mankietach, które delikatnie je spłaszczają, ustawiając zwykle okrągłe wiązki w bardziej prostokątnej konfiguracji, aby zmaksymalizować powierzchnię.

Następnie w sumie 20 elektrod na trzech mankietach dostarcza sygnały elektryczne do włókien nerwowych zwanych aksonami z zewnątrz ochronnej osłony żywych komórek, które otaczają te włókna nerwowe. To podejście różni się od innych eksperymentalnych technologii, które penetrują powłokę w celu bezpośredniego dotknięcia aksonów. Uważa się, że te penetrujące osłonę interfejsy oferują wyższą rozdzielczość, przynajmniej na początku, ale z potencjalnie wyższym ryzykiem degradacji sygnału lub uszkodzenia nerwów w dłuższej perspektywie. I tak nie były testowane dłużej niż kilka tygodni.

Obiektem testu na chwytanie wiśni jest Igor Spetic z Madison w stanie Ohio. Stracił rękę w pracy, gdy została zmiażdżona młotem do kucia matrycowego, gdy wykonywał aluminiową złączkę do silnika odrzutowego. Teraz ma dwie małe wiązki przewodów wystające z portu w prawym górnym ramieniu. W laboratorium Tyler łączy te uprzęże z urządzeniem, które generuje sygnały elektryczne wysyłane do mankietu. To urządzenie z kolei odbiera informacje wyzwalające z czujników na jego protetycznej dłoni.

Jak dotąd jego sensoryczne sprzężenie zwrotne było odczuwalne tylko w laboratorium, ale Spetic wyraża zdumienie swoim wyjątkowym procesem. To naprawdę ekscytujące widzieć, co robią i mam nadzieję, że pomoże to innym ludziom, mówi Spetic. Wiem, że nauka zajmuje dużo czasu. Jeśli nie dostanę czegoś do zabrania do domu, a dostanie się następna osoba, wszystko będzie na lepsze.

Naukowcy ostrożnie umieszczają implanty, aby określić, gdzie Spetic odbiera siły na jego brakującej kończynie. Po zainstalowaniu Spetic może wykryć odczucia na kilku palcach oraz z tyłu i z boku brakującej ręki, odpowiadające sygnałom wejściowym z protezy. Gdy implant jest już na miejscu, wrażenia zawsze pojawiają się w tych samych miejscach i nie przesuwają się, mówi Spetic.

Tyler może dostroić sygnały elektryczne wysyłane do mankietu, aby wywołać różne odczucia. Spetic mówi, że czasami wydaje mu się, że dotyka łożyska kulkowego, innym razem ociera się o waciki, papier ścierny lub włosy.

Tyler mówi, że wrażenia, o których donosi Spetic, są bardziej naturalne i użyteczne niż niejasne, brzęczące uczucie, które często wywoływały wcześniejsze technologie eksperymentalne. Oznacza to, że możliwe jest dostosowanie odczucia tak, aby pacjent czuł się na przykład tak, jakby dotykał czubkiem długopisu. Inne grupy i firmy pracują nad lepszymi detektorami siły, aby przyczepiać się do protezy ręki i generować tak zróżnicowane sygnały.

[Badania] są naprawdę nowatorskie i przodują na świecie pod względem dostarczania bezpośredniej informacji zwrotnej sensorycznej osobom po amputacji, mówi Jack Judy, dyrektor Nanonaukowy Instytut Technologii Medycznych i Inżynieryjnych na Uniwersytecie Florydy w Gainesville. Judy niedawno pełnił funkcję kierownika programu w Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony, gdzie prowadził m.in program który miał na celu poprawę wydajności i niezawodności interfejsów neuronowych używanych do kontrolowania protez kończyn u żołnierzy po amputacji. Co najmniej 1715 żołnierzy zostało amputowanych podczas wojen w Iraku i Afganistanie.

Inne istniejące technologie dostarczają bodźców sensorycznych bezpośrednio do nerwów. Implanty ślimakowe, na przykład, stymulują nerw słuchowy do przywrócenia słuchu, a technologie stymulacji nerwu błędnego – biegnącego od pnia mózgu do klatki piersiowej i brzucha – mogą być stosowane w leczeniu padaczki, a nawet depresji. Jednak, jeśli chodzi o stymulację nerwów w celu zapewnienia skutecznego zmysłu dotyku u ludzi, postęp jest znacznie mniejszy, mówi Judy.

Istnieją inne podejścia do sensorycznego sprzężenia zwrotnego, w tym próby zrobienia tego bezpośrednio przez implanty mózgowe (patrz Nadanie protetyce zmysłu dotyku ). Ale implanty mózgowe są uważane za bardziej oddalone ze względu na zwiększone obawy o bezpieczeństwo związane z otwieraniem czaszki. Prace Case Western są w fazie pilotażowej próby wykonalności, a Tyler mówi, że jeśli wszystko pójdzie dobrze, urządzenie może pojawić się na rynku za pięć do dziesięciu lat.

ukryć