Это потому, что команда, возглавляемая доцентом биомедицинской инженерии Университета штата Юта Грегори Кларком, разработала способ «Руки ЛЮКА» (названной так в честь руки робота, которую Люк Скайуокер получил в «Империи наносит ответный удар»), чтобы имитировать путь. человеческая рука чувствует предметы, посылая соответствующие сигналы в мозг. Их результаты были опубликованы в новой статье, в соавторстве с докторантом Университета биомедицинской инженерии Джейкобом Джорджем, бывшим докторантом Дэвидом Клугером, Кларком и другими коллегами в последнем выпуске журнала Science Robotics.
"Мы изменили способ отправки этой информации в мозг, чтобы она соответствовала человеческому телу.
И, подобрав человеческое тело, мы смогли увидеть улучшенные преимущества », – говорит Джордж. "Мы подаем более реалистичные с биологической точки зрения сигналы."
Это означает, что человек с ампутированной конечностью, носящий протез руки, может ощущать прикосновение к чему-то мягкому или твердому, лучше понимать, как это поднять, и выполнять деликатные задачи, которые в противном случае были бы невозможны со стандартным протезом с металлическими крючками или когтями вместо рук.
«Это почти довело меня до слез», – говорит Уолгамотт о первом использовании LUKE Arm во время клинических испытаний в 2017 году. "Это было действительно потрясающе. Я никогда не думал, что смогу снова почувствовать эту руку."
Уолгамотт, агент по недвижимости из Вест-Вэлли-Сити, штат Юта, и один из семи испытуемых в Университете штата Юта, смог срывать виноград, не раздавив его, брать яйцо, не разбивая его, и с ощущением держать руку своей жены. в пальцах, как у здорового человека.
"Первое, что он хотел сделать, это надеть обручальное кольцо. Это сложно сделать одной рукой, – говорит Кларк. "Это было очень трогательно."
Это достигается с помощью сложной серии математических расчетов и моделирования.
Рука Луки
LUKE Arm находится в разработке около 15 лет.
Сама рука сделана в основном из металлических двигателей и деталей с прозрачной кремниевой «кожей» на руке. Он питается от внешнего аккумулятора и подключен к компьютеру. Он был разработан DEKA Research & Development Corp., компания из Нью-Гэмпшира, основанная изобретателем Segway Дином Каменом.
Тем временем команда Университета Юты разрабатывает систему, которая позволяет протезу руки подключаться к нервам пользователя, которые похожи на биологические провода, которые посылают сигнал руке двигаться. Это стало возможным благодаря изобретению Заслуженного заслуженного профессора биомедицинской инженерии Университета штата Юта Ричарда А. Норманн назвал решетку наклонных электродов Юты. Массив представляет собой связку из 100 микроэлектродов и проводов, которые имплантируются в нервы человека с ампутированной конечностью в предплечье и подключаются к компьютеру за пределами тела.
Массив интерпретирует сигналы от все еще оставшихся нервов руки, и компьютер преобразует их в цифровые сигналы, которые говорят руке двигаться.
Но бывает и наоборот. Для выполнения таких задач, как сбор предметов, требуется нечто большее, чем просто мозг, приказывающий руке двигаться.
Протез руки также должен научиться «чувствовать» объект, чтобы знать, какое давление нужно оказывать, потому что вы не можете понять это, просто глядя на него.
Во-первых, протез руки имеет датчики в руке, которые посылают сигналы к нервам через массив, чтобы имитировать ощущение, которое рука испытывает при захвате чего-либо. Но не менее важно то, как эти сигналы отправляются.
Это включает в себя понимание того, как ваш мозг справляется с переходами информации, когда он впервые касается чего-либо. При первом контакте с объектом волна импульсов проходит по нервам к мозгу, а затем ослабевает. Воссоздание этого было большим шагом.
«Простое создание ощущения – это большое дело, но то, как вы отправляете эту информацию, также критически важно, и если вы сделаете его более биологически реалистичным, мозг поймет это лучше, и исполнение этого ощущения также будет лучше», – говорит Кларк.
Чтобы добиться этого, команда Кларка использовала математические вычисления вместе с записанными импульсами от руки приматов, чтобы создать приблизительную модель того, как люди получают эти различные образцы сигналов. Затем эта модель была внедрена в систему LUKE Arm.
Будущие исследования
Помимо создания прототипа LUKE Arm с сенсорным управлением, вся команда уже разрабатывает версию, которая полностью переносима и не требует подключения к компьютеру вне тела. Вместо этого все будет подключено по беспроводной сети, что даст владельцу полную свободу.
Кларк говорит, что матрица наклонных электродов в штате Юта также способна посылать в мозг сигналы, касающиеся не только осязания, например боли и температуры, хотя в статье в первую очередь рассматриваются прикосновения. И хотя в их работе в настоящее время участвуют только люди с ампутированными конечностями, потерявшие конечности ниже локтя, где расположены мышцы для движения руки, Кларк говорит, что их исследования также могут быть применены к тем, кто потерял руки выше локтя.
Кларк надеется, что в 2020 или 2021 году три испытуемых смогут забрать руку домой и использовать ее в ожидании одобрения федерального регулирующего органа.
В исследовании участвует ряд учреждений, включая Отделение нейрохирургии Университета штата Калифорния, Отделение физической медицины и реабилитации и Отделение ортопедии, Отделение биологии и анатомии организма Чикагского университета, Отдел биомедицинской инженерии клиники Кливленда и нейротехнологические компании Ripple Neuro из Юты. LLC и Blackrock Microsystems.
Проект финансируется Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов и Национальным научным фондом.
«Это невероятная междисциплинарная работа», – говорит Кларк. «Мы не смогли бы сделать это без значительных усилий всех в этой команде."