Протезування, яке не потребує практики: Зсередини останнього прориву в біоніці

“Я можу уявити собі когось, хто має весь цей набір рук”, – сказав він. “Це фермер, він працює на своєму тракторі, зварює і збирає кукурудзу – і у нього є ця надміцна рука, яка неймовірно міцна, яка може відкривати і закривати і піднімати важкі, важкі речі. Але фермер також є піаністом. Коли він заходить всередину, він одягає іншу суперлегку руку, де пальці розправляються і рухаються дуже швидко. Все, що цій руці потрібно робити, це натискати на клавіші піаніно, щоб грати на ньому”.

Надточний, керований розумом протез руки для ампутантів за допомогою нейронного інтерфейсу RPNI

Повторювана мрія про заміну рук зазвичай вимагає певного розшифрування. Однак не у випадку Седерни. Протягом майже двох десятиліть, будучи професором пластичної хірургії в Медичній школі Університету Мічигану, Седерна працює над удосконаленням моторного контролю на основі протезів для людей з ампутаціями. Він не будує руки-роботи, а працює над основними медичними процесами, які дозволять людям з ампутаціями контролювати їх, використовуючи лише нервові закінчення в руках.

Вісімнадцять років тому Седерна прооперував чоловіка з жахливими травмами. Пацієнт, комерційний художник, піднімався по драбині, виконуючи якусь роботу. Йшов дощ. Електричний струм з високовольтної лінії перескочив на алюмінієву драбину, спричинивши сильні опіки 50 відсотків тіла чоловіка, а також обпаливши йому руку на рівні ліктя.

Навіть для Седерни, який спеціалізується на реконструкції опіків, ці травми були жахливими. Але так само жахливо, як він розповів Digital Trends, було те, як мало він міг зробити для пацієнта в той час. Чоловік, фізично активна та енергійна людина, був змушений покладатися на найпримітивніші протези, щоб замінити відсутню кінцівку. “На той момент ми не могли придумати нічого кращого, ніж кабелі та гумові стрічки, щоб керувати протезом для таких людей, як він”, – сказала Седерна. “Моїм мотивуючим фактором для участі в цій [галузі досліджень] в першу чергу була моя взаємодія з [цим пацієнтом]”.

Дати нервам мегафон

Перенесемося в 2020 рік, і Седерна, можливо, виконав свою мету. А пацієнтка, про яку йде мова, пожинає плоди. Працюючи з Сінді Честек, доцентом біомедичної інженерії на інженерному факультеті Мічиганського університету, Седерна розробила процедуру, яка дозволяє людям з ампутованими кінцівками відчути безпрецедентне управління роботизованою рукою на рівні пальців в режимі реального часу. Результати були опубліковані на цьому тижні. Навчання не потрібне.

Медична процедура полягає у виконанні невеликих розрізів над основними нервами в куксі пацієнта. Потім хірург розділяє нерв, сукупність біло-сірих волокон, у відповідному здоровому місці. Далі з ноги видаляється крихітний шматочок м’яза, який використовується для обгортання кожного нервового пучка. Таким чином створюється “регенеративний периферичний нервовий інтерфейс” або RPNI. Це не тільки допомагає запобігти розростанню нервових мас, які можуть призвести до фантомного болю в кінцівках, але й дає нервам своєрідний мегафон, що дозволяє посилити їх електричний сигнал.

У двох демонстраціях за участю пацієнтів компанія Cederna імплантувала електроди в м’язові трансплантати. Електроди використовуються для запису нервових сигналів, що несуть інструкції від мозку з роздільною здатністю від 10 до 100 разів більшою, ніж зазвичай. “Це такі ж електроди, які ви можете побачити в кардіостимуляторі”, – сказав Честек в інтерв’ю Digital Trends. “Вони дуже маленькі і призначені для тривалого перебування в організмі”.

Використовуючи алгоритми машинного навчання, дослідники змогли розшифрувати цю нервову інформацію так, щоб вона могла бути виведена у вигляді серії інструкцій для управління протезами рук. Пацієнти, які брали участь у дослідженні, змогли керувати біонічними руками так само, як і звичайними біологічними кінцівками. Одним з цих пацієнтів виявився той самий чоловік, якого Cederna вперше прооперувала на початку 2000-х років.

“Він повернувся до життя, – сказала Седерна. “Він займається альпінізмом, полюванням, риболовлею, він неймовірно успішно керує власним бізнесом. Це дійсно змінило його життя”.

Вражаючий діапазон рухів

У цьому новому дослідженні дослідники використовували кілька різних рук, таких як протез руки DEKA, який Честек описав як “диво інженерії у багатьох відношеннях. Вона дуже швидка, і це дозволяє людині [яка використовує її для здійснення] дійсно точного контролю над положенням і швидкістю своїх пальців”. У протезі DEKA один з пацієнтів дослідження зміг простягнути руку і схопити застібку-блискавку, а потім застібнути її вгору і вниз.

Інші демонстрації, проведені за допомогою протезів, включали піднімання блоків за допомогою кліщового захвату, безперервний рух великого пальця (сумнозвісна складна цифра для протезів), підйом сферичних об’єктів і гру в варіацію гри “Камінь, папір, ножиці”.

Робота Cederna, Chestek та інших дослідників є ще однією знаковою подією. Вперше, за словами Седерни, у них з’явилася можливість отримувати детальну нервову інформацію, яка виходить за рамки фізичних можливостей сучасного протезування.

“У [виробників протезів] не було жодних причин робити їх більш досконалими, тому що ми фактично не могли контролювати ті протези, які ми маємо зараз”, – сказала Седерна. “До цього часу. Завдяки цій стратегії RPNI ми можемо не тільки контролювати ці протези і використовувати всі їхні функціональні можливості, але й відкривати для себе додаткові можливості, які протези, які ми маємо зараз, ще не здатні виконувати”.

Побудова

“Ми можемо дати [користувачам] набагато кращий контроль, якщо вони керуватимуть анімованою рукою”, – сказав Честек. “У деяких наших демонстраціях вони можуть дуже швидко перемикатися між п’ятьма і дев’ятьма типами рухів захоплення. Мої студенти дуже наполегливо працювали над тим, щоб досягти цього з тими руками, які вони мають [для роботи]. Але це все одно набагато менше, ніж те, що ми можемо зробити в анімації”.

Складність будови людської руки робить створення факсиміле робота майже неймовірно складним. Але у Честека є рятівний круг. “Нам потрібна рука, яка буде швидкою і сильною”, – сказала вона. “Це не обов’язково має відбуватися одночасно”.

Саме тут в гру вступає бачення Седерни про набір рук, що перемикається. Використовуючи цей підхід, одного дня людина з ампутованою кінцівкою зможе міняти руки залежно від того, що вона робить. Різні руки можуть нести різні компроміси, але це дасть можливість виконувати будь-яке необхідне завдання. До того часу, поки хтось не створить ідеальну універсальну біонічну руку. Поки що це залишається мрією. Але завдяки новаторській роботі, що проводиться в Мічиганському університеті, ця мрія як ніколи близька до того, щоб стати реальністю.

Рекомендації редакторів

Роботи, що еволюціонують і самовідтворюються, вже тут – але не хвилюйтесь про повстання

• Розумні манекени: як роботизована техніка для боротьби з м’ячем змінює футбольну практику
• Кіборги Венерині мухоловки вже тут. Не хвилюйтеся, вони не ворожі
• Щоб створити реалістичну роботизовану руку, ми спочатку повинні створити кращий роботизований мозок
• Ось що насправді думає нейробіолог про Neuralink Ілона Маска
• Особливості

• Новини
• HBO Max
• Спеціальні функції
• Що буде далі: Як технології допомагають суспільству відкритися після коронавірусу
• найсучасніший протез руки

Source: digitaltrends.com