Кевин Уолгамот держит и чувствует руку жены снова с помощью экспериментальной роботизированной руки. Фотография: Джейкоб Джордж и соавтор, Доктор лаборатории Грег Кларк, Университет Юты.

Когда Кевин Уолгамот потянулся, взял жену за руку, и его лицо расплылось в огромной улыбке. Впервые за 14 лет он мог чувствовать ее мягкие пальцы, плотно прижатые к ладони протеза.

Дэвид тестирует новый интерфейс, который легко сочетает движение и ощущения. В чем цель? В том, чтобы заменить чувство «чужеродности» роботизированного протеза чем-то интуитивным и естественным как часть себя.

Вживленный непосредственно в оставшиеся нервы утраченного предплечья Кевина интерфейс переводит мысли в электрические сигналы, которые приводят ловкую роботизированную руку в движение.

Но это еще не все: он также принимает информацию от датчиков на роботизированной руке и отправляет ее обратно в мозг через два имплантированных высокоплотных, электрических массива. В мозге электрические импульсы преобразуются в чувство давления, вибрации и движения — ощущения, которые приходят словно из собственной недостающей конечности.

Именно этот замкнутый контур от мысли к движению и затем к сенсорной обратной связи делает устройство особенным.

«Люди часто думают об осязании как об одиночном чувстве, на самом деле же оно включает в себя и другие органы чувств, такие как давление, вибрация, температура, боль и т.д. Высокое разрешение нашего устройства позволяет активировать эти подклассы контакта в изоляции (т.е. давление без вибрации и боли) в определенной части руки.»говорит Джейкоб Джордж, который помог разработать интерфейс в университете штата Юта.

В отличие от предыдущих поколений интерфейсов, которые передают только около 20 ощущений — например, участники могут чувствовать только давление, новая система восстанавливает 100 уникальных ощущений с тонкими различиями.

И это радикально отличает интерфейс.

Джордж объясняет: «Наши участники контролировали протезы с помощью мысли до этого. Они также чувствовали ощущения от их пропавшей руки раньше. Но объединить оба подхода, добавить обратную связь — это совершенно другой опыт. Внезапно рука снова становится живой.»

Проблемы Протезирования

Видео
Исследователи из Университета штата Юта разрабатывают экспериментальную роботизированную руку, которая управляется при помощи считывания нервных импульсов.

Кевин — один из 1,6 миллиона людей в США, которые перенесли ампутацию.

«Потеряв конечность, ты не только теряешь физически часть себя, ты также теряешь часть духовной составляющей,» — говорит Джордж.

Появляются депрессия и тревога. Некоторые пациенты даже испытывают фантомные боли, ощущение жжения, казалось бы, исходящие от их ампутированной конечности, и не реагируют на обычные обезболивающие.

«Наши участники описали потерю руки как потерю члена семьи, которую приходится переживать каждый день,» — сказал Джордж.

Именно этого «эмоционального зверя» чрезвычайно трудно приручить. Одной из причин является то, что современные протезы просто не ощущаются правильно. Ученые уже добились успехов в создании гибких протезов, которые восстанавливают некоторые нормальные функции. Эти устройства обычно определяют электрические сигналы, поступающие от мышц выше места ампутации с использованием поверхностных электродов — неинвазивный подход, но он менее избирательно воздействует на отдельные нервные волокна.

«Образно говоря, это так же, как трудно вести частный разговор с кем-то внутри футбольного стадиона, если вы кричите снаружи», — сказал Джордж.

Более поздние протезы подключены непосредственно к источнику: моторной коре головного мозга пациента или его оставшимся нервам в культе. Эти нервы передают намерение мозга перейти к ампутированной конечности, эти сигналы могут быть декодированы для перемещения протеза руки.

По сравнению с мозгом нервы рук являются гораздо более безопасными для имплантации. Их сигналы также легче понять — один нейрон подает сигнал, одна мышца дергается. Вместо того, чтобы пытаться определить сигнал среди какофонии коры головного мозга, имеет гораздо больше смысла воздействовать ниже по течению сигнала.

Тем не менее, несмотря на потрясающую технологию, которая позволяет пациентам контролировать роботизированную руку с помощью мысли, у этих устройств по-прежнему есть проблемы.

Без сенсорной обратной связи, которую мы обычно получаем, пациенты не могут точно настроить хват. Вместо того, чтобы щипать виноград, они в конечном итоге превращают его в кашу. Это не интуитивно и разочаровывающе.

«В результате почти 50 процентов пациентов отказываются от протезов. Мы хотим восстановить полноценный опыт использования руки,» — говорит Джордж.


Роборука позволяет Кевину вновь почувствовать объекты, он смог брать виноград не сминая ягоды. (Университет штата Юта)

Решение Юты

Исследователи из Университета штата Юта разработали технологию, которая позволяет пользователям чувствовать предметы с помощью роботизированной руки. В одном эксперименте они были в состоянии отличить отличить мягкую губку от жесткого пластика.

Работа новой системы заключается в двух частях: во-первых, она подхватывает сигналы из мозга через два микроэлектронных массива на долю размером с копейку, которые имплантируются в остаточные нервы пациента, возбуждающие руку. В то же время другая часть электродов подхватывает сигналы от остаточных мышц.

”После имплантации, мы должны создать карту того, какие ощущения возможны, и это индивидуально для каждого пациента", — говорит Джордж.

Мы тщательно стимулировали каждый из электродов массива, в общей сложности их было 192, и просили Кевина сообщить, где он чувствовал ощущения и как это было.

Например, электрод 64 был связан с ощущением давления на кончик пальца. Команда активирует датчик давления на большой палец протеза, так что он ведет себя как биологическая рука.

Как только мы завершаем картографирование, весь процесс перевода происходит автоматически. Кевин может интуитивно двигать протезную руку, как будто управляя собственной рукой.

Когда протез совершает контакт, команда стимулирует соответствующий электрод, чтобы обеспечить обратную связь с пациентом. Для кончика пальца, это электрод 64. Чем сильнее давление, тем сильнее сигнал. В сущности, массивы электродов по существу заменяют потерянные нервные окончания, которые обычно возбуждают руку.
Таким образом, когда большой палец протеза прикасается к винограду, Кевин чувствует касание.

Функциональные улучшения были огромны. В одном тесте, где Кевина попросили двигаться вокруг “механического яйца”, которое чувствует давление, он добился успеха, не нарушая границу, и показал результат на 21% лучше, когда сенсорная обратная связь была включена.

Целый Я

Но возможно, самое большое преимущество — это эмоциональность.

В одном видео бывшего участника попросили прикоснуться к виртуальной двери с помощью компьютерного протеза. Симуляция была мультяшной и грубой, но для пациента это не имело значения.

Протянув руку к двери, он громко вздохнул: «О боже мой. Я чувствую дверь!» — и воскликнул, задыхаясь: «Боже! Это так круто!»

«Дело не в том, что участник почувствовал прикосновение своей отсутствующей рукой, дело в том, что он почувствовал дверь впервые за 24 года взаимодействия со внешней средой», — объясняет Джордж.

Это ощущение и есть воплощение того, что раньше отсутствовало в протезировании.

Опыт Кевина был не менее коварен. После тренировки с напечатанным на 3d принтере протезом руки, его спросили, что он хотел бы сделать?

«Я хочу сжать руки вместе,» — сказал он, складывая оставшуюся руку в рыхлый кулак, осторожно, неоднократно прижимая к протезу, словно массируя костяшки после долгого дня.

«Изначально протез был просто инструментом, чтобы помочь ему с деятельностью в повседневной жизни, но теперь, это то, что ведет себя как его собственная рука.
Речь идет не только об улучшенной ловкости или улучшенной чувствительости, но и о том, чтобы снова почувствовать себя единым», — Джордж.

Команда сейчас увлеченно работает над беспроводной домашней версией своей системы для пациентов, чтобы использовать ее в обычной жизни. Без проводов у вас должно быть меньше шансов заражения и поломки. Ожидается также, что эти выгоды будут усиливаться с увеличением практики и дальнейшим использованием.

Уже протестировав текущий интерфейс с семью пациентами, команда чувствует себя уверенно. Они говорят, что сделают беспроводную версию, готовую для тестирования человеком примерно через год.

«В конечном счете, как сказал один из наших пациентов, это будет выглядеть точно так же, как рука Люка Скайуокера, тогда каждый захочет такой протез», — заключает Джордж с широкой ухмылкой.


Рука «Люк», роботизированный протез, созданный компанией DEKA и названный в честь Люка Скайуокера, героя фильма «Звездные войны», носившего протез.

оригинал

Если Вы хотите присоединиться к разработке или у вас есть идеи по механизму, конструкции, дизайну протеза, опыт использования, приглашаем Вас в наш рабочий чат. Продолжим обсуждение в формате диалога.