Инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тонг разработали мягкую, легкую и потенциально недорогую нейропротезную руку. С ее помощью люди с ампутированными конечностями выполняли повседневные действия, например, застегивали молнию на чемодане, наливали сок и гладили кошку. Протез позволил им частично восстановить тактильные ощущения.
Протез мягкий и эластичный, он весит всего 200 г. Стоимость компонентов при этом не превышает $ 500.
«Это еще не готовый продукт, но эффективность уже аналогична существующим нейропротезам или превосходит их, что нам очень нравится», — говорит Сюань Хэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды МТИ.
Искусственная рука изготовлена из эластомера EcoFlex. Протез состоит из пяти пальцев, каждый из которых покрыт сегментами волокна, подобными сочлененным костям настоящих пальцев. Они соединены с трехмерной «ладонью», имеющей форму человеческой руки.
Вместо того, чтобы управлять каждым пальцем с помощью установленных электродвигателей, как это реализовано в большинстве нейропротезов, в мягкой руке 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. 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 электромиографии, которые измеряют электрические сигналы, генерируемые мотонейронами для управления мышцами. Датчики устанавливаются в отверстии протеза, где он прикрепляется к конечности пользователя. В этом устройстве датчики могут улавливать сигналы от остаточной конечности, например, когда человек 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 контроллер преобразует в соответствующие давления. Затем помпа прикладывает это давление, чтобы надуть каждый палец и добиться желаемого захвата.
Исследователи стремились включить также тактильную обратную связь. 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, поэтому пользователь может «почувствовать», когда, например, протез выполняет нажатие большим пальцем, а не указательным
Чтобы проверить надувную руку, исследователи привлекли двух добровольцев с ампутированными верхними конечностями. После 15-минутной тренировки их 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. Добровольцы повторили те же тесты, используя более жесткую бионическую руку, и выяснилось, что надувной протез в большинстве задач был настолько же эффективным или даже лучше, чем его жесткий аналог.
Один доброволец также смог интуитивно использовать мягкий протез в повседневной деятельности, например, чтобы есть крекеры, пирожные и яблоки, а также обращаться с предметами и инструментами, такими как ноутбуки, бутылки, молотки и плоскогубцы. Этот доброволец мог безопасно манипулировать мягким протезом, например, пожать кому-нибудь руку, прикоснуться к цветку или погладить кошку.
В последнем упражнении исследователи завязали глаза добровольцу и обнаружили, что он может различать, какой протез пальца он задействует. Он также смог «почувствовать» бутылки разного размера, помещенные в протез руки, и поднять их. Команда рассматривает эти эксперименты как многообещающий признак того, что инвалиды смогут восстановить некую чувствительность и контроль в реальном времени.
Команда работает над улучшением чувствительности протеза и диапазоном его движений.
Ранее команда исследователей из Мэрилендского университета напечатала на 3D-принтере мягкую роборуку, которая может играть на геймпаде. Рука смогла пройти первый уровень Super Mario Bros. менее чем за две минуты.