Протезы на протяжении своей истории становились всё более сложными: бионические руки выполняют различные хваты, колени самостоятельно сгибаются и разгибаются с усилием, упрощая ходьбу по лестнице. Но до сих пор одной из самых важных проблем остаётся отсутствие обратной связи. Ампутантам приходится ориентироваться в основном на зрение, потому использовать протез в темноте или для поиска предметов в рюкзаке — не самое эффективное занятие.

Команда учёных из Кливлендской клиники представила новый способ получения обратной связи от протезов, основанный на вибрации в мышцах у протезированной конечности. В течение нескольких минут, как утверждают исследователи, три ампутанта начали более эффективно использовать протезы рук.



Команда исследователей под руководством Пола Мараско (Paul D. Marasco) разработала нейро-машинный интерфейс, передающий в мышцы вибрации для улучшения контроля протезированными конечностями. Система симулирует кинестезию — чувство положения тела и движения конечностей, усилий, силы и тяжести. Учёные считают этот подход наиболее эффективной стратегией повышения эффективности использования протезов и улучшения жизни пациентов.

Среднестатистический здоровый человек способен выполнять различные движения, контролировать свои действия в темноте или с закрытыми глазами. Благодаря проприорецепторам в наших мышцах, связках, суставах, мы знаем, где в конкретный момент находится наша рука или нога, способны спрогнозировать движение к конечной точке и изменить какие-либо параметры для её достижения — например, увеличить силу. В случае с протезом человек ориентируется только на зрение, что снижает эффективность устройства.

«Из-за отсутствия обратной связи оперировать предметами в темноте невозможно. Мне нужно видеть предмет, чтобы взять его. Когда его не видно — нельзя понять, где он находится. По весу в принципе можно почувствовать. Поэтому есть надежда на искусственную кожу и другие разработки в области обратной связи», — рассказывал Константин Дебликов, владелец бионических протезов BeBeonic и MyoFacil, в интервью Geektimes.

В исследовании, которое провёл Пол Мараско, приняли участие люди с ампутированными руками, использующие инвазивные протезы рук — аппараты, подключённые к непосредственно к нервам конечности, позволяют управлять ими интуитивно с помощью сигналов из мозга. Во время эксперимента учёные установили вибрирующие устройства на культях: вибрации создавали иллюзию кинестезии. Устройство позволяло не просто «чувствовать», как сжимается или разжимается хват, но и помогало интуитивно управлять протезом без необходимости постоянно смотреть на него. Эффективность повышалась, когда к этому процессу добавляли зрение.

По словам руководителя группы, Пола Мараско, учёные знают о способности вибраций в мышцах создавать иллюзию кинестезии с 1970-х годов. Но его команда поражена тем, насколько сильно этот приём действует на пациентов.

Ниже — видео, отображающее процесс взаимодействия с протезом и получения обратной связи с помощью вибрации.



Кроме улучшения контроля за конечностью, обратная связь играет ещё одну важную роль: она призвана устранить чувство чужеродности. «Потеряв конечность, ты не только теряешь физически часть себя, ты также теряешь часть духовной составляющей», — говорит Джейкоб Джордж, автор другого исследования, проведённого в 2017 году. Тогда контролируемый мыслью протез помог восстановить 100 реалистичных тактильных ощущений.

Датчики, установленные в протезе, отправляют информацию в мозг через два имплантированных устройства. Мозг преобразует их в чувства давления, вибрации и движения. Это позволяет обмануть мозг и заставить его думать, что конечность действительно принадлежит этому телу.

На фотографии ниже — один из участников эксперимента держит и чувствует руку жены с помощью экспериментального бионического протеза.



Научная работа опубликована в журнале Science Transplantational Medicine в марте 2018 года. DOI: 10.1126/scitranslmed.aao6990