Медицина
Технології
Медицина
Технології

Надувна рука замінила жорсткий протез і дала змогу погладити кота

Американські інженери розробили заміну жорстким протезам для пацієнтів з ампутованими кінцівками та відновили їм відчуття дотику м'якою надувною рукою з датчиками реєстрації електричної активності м'язів і контролером надування. Нейропротезна кінцівка дала змогу учаснику дослідження застібнути блискавку на сумці, налити сік та погладити кота, а сама витримала удар молотком та наїзд автомобіля. Про свою розробку вчені повідомили у Nature Biomedical Engineering.

Guoying Gu et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021

Guoying Gu et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021

Як протезування може відновити дотик?

У всьому світі налічується більше п'яти мільйонів людей, що втратили верхню кінцівку. Це веде за собою неможливість виконувати звичні побутові справи, а найбільш використовувані протези являють собою або косметичну заміну, або не дуже функціональні крюкоподібні маніпулятори. Ідеальний протез має відтворювати двосторонній зв'язок між нервовою системою користувача і оточуючим його середовищем завдяки роботі центральних і периферійних нейронних мереж, що відповідають за управління моторикою кінцівок і зокрема тактильне сприйняття. Природний зворотний зв'язок від протеза до користувача у режимі реального часу дуже важливий для відновлення повсякденної діяльності на нормальному рівні, не вимагаючи особливого функціонального впливу з боку пацієнта.

Guoying Gu et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021

Guoying Gu et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021

Перспективним рішенням є цільове відновлення зв'язку м'язів з центральною нервовою системою (targeted muscle reinnervation, TMR), що полягає у перенаправленні нервових закінчень людей з ампутованими кінцівками, що залишилися, на м'язи грудей. Для людей з ампутацією руки або кисті TMR може забезпечувати певний сенсорний зворотний зв'язок, але з обмеженнями, що накладаються датчиками. Зокрема використовувані ЕМГ-датчики, що реєструють м'язову активність, працюють у тій же області (грудна клітка), яку механічно стимулюють для роботи протеза, і так ускладнюють відтворення тактильного зв'язку. Тобто загалом протез має скорочувати м'язи, і одночасно відчувати дотик до шкіри, що лежить над тими ж м'язами.

Чому не підходять жорсткі протези?

На ринку все ж з'являються Однак, всі вони покладаються на електродвигуни та складні механічні компоненти, що зумовлює значну вагу (більше 400 грамів) та високу вартість (за межею у десять тисяч доларів). А отже і унеможливлює їхнє використання більшістю пацієнтів. Також бажано, щоб нейропротез був механічно піддатливим, але наприклад, рука яка складається з електродвигунів і механізмів, що приводяться в рух сухожиллями навіть з еластичними суглобами і м'якою шкірою, досягає ваги у 520 грамів. Тому у своїй роботі дослідники з MIT вирішили звернутися до області м'якої робототехніки, яка завоювала популярність серед інженерів своїми полегшеними конструкціями, гнучкістю та високої адаптивністю і поєднуваністю з легкими еластомірними компонентами, які використовуються і для забезпечення тактильного дотику. Вона допомагає роботам розрізняти поверхні на дотик і помітно перебирає на себе роль головної за роботизовані екзоскелети, маніпулятори тощо. Цього разу вона стала у пригоді для створення легкої нейропротезної кінцівки вагою 292 грами та вартістю компонентів менш ніж 500 доларів, що здатна відтворити рух руки і навіть тактильний зворотний зв'язок пацієнтам з ампутацією передпліччя.

Guoying Gu et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021

Guoying Gu et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021

Як працює рука?

Рука складається з п'яти м'яких пальців і долоні, які забезпечують шість активних ступенів свободи, а також містять чотири електроміографічні датчики, які вимірюють сигнали від залишкових м'язів, щоб контролювати руку і забезпечувати чотири типи захоплення. П'ять ємнісних датчиків з гідрогелю та еластомеру на кінчиках пальців вимірюють тиск дотику, щоб викликати електричну стимуляцію на шкірі передпліччя. Збільшення тиску на предмет під час дотику зменшує товщину еластомірного шару і так збільшує ємність конденсатора, що фіксують датчики та передають програмовані електричні імпульси через неінвазивний стимулюючий електрод на певну область кінцівки, яка лишилася, що інформує людину про дотик. Кожен палець має трубчасту структуру із кількома жорсткими елементами, що імітують анатомію м'якого суглоба та кісток. З'єднання пальців і долоні забезпечуються армованим волокном. Піддатливість матеріалу забезпечує захоплення і тендітних та м'яких предметів, імітуючи пасивну піддатливість людських рук. У міру збільшення пневматичного тиску на пальці, кути вигину гнучких суглобів збільшуються. І саме завдяки пневматичному механізму та модульній конструкції, всі елементи руки як-то насоси, клапани, електронні плати і акумулятор, можна помістити у невелику сумку, яку пацієнти зможуть носити на поясі. За необхідності їх можна інтегрувати у саму руку, що збільшить вагу протеза до 604 грамів, але це все ще легше, ніж вага комерційно доступних нейропротезних рук.

Massachusetts Institute of Technology (MIT) / YouTube

Що протез дає змогу зробити?

Об'єднавши ЕМГ-датчики, сенсори дотику і електростимулятори у руці, вчені розробили двонаправлений інтерфейс людина-протез, яким учасники дослідження навчилися користуватися за таку ж кількість часу (близько 15 хвилин), що і стандартними протезами. За словами пацієнтів, рукою можна навчитися користуватися інтуїтивно, і вони швидко навчилися хапати різні побутові предмети, як-то їжа (наприклад, чипси, тістечка, полуниця і яблука), предмети споживання (наприклад, одяг, сумки, ноутбуки, стакани для води, пляшки, серветки і посуд) і інструменти (наприклад, молотки і плоскогубці). Також можна взаємодіяти і з іншими людьми (наприклад, рукостискання), тваринами (наприклад, погладити кішку) і навколишнім середовищем (наприклад, торкаючись до квітки). Також учаснику випробування вдалося підняти корисний вантаж вагою 2,3 кілограма. Новий дизайн також надзвичайно міцний та швидко відновлюється і після удару молотком або наїзду автомобілем. Поки це лише прототип і, за словами розробників, у майбутньому вони планують покращити алгоритми розпізнавання дотиків та передавання їх, а також використовувати міоелектричні матриці з вищою щільністю, щоб полегшити дизайн для масового виробництва та ще більше спростити конструкцію.