Инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тун разработали мягкий, легкий и потенциально недорогой нейропротез кисти руки. Свое изобретение они описали в научной статье, которую опубликовало издание Nature Biomedical Engineering.
Сегодня в мире проживает более пяти миллионов человек, перенесших ампутацию верхних конечностей. Кто-то будет вынужден приспосабливаться жить без рук. Но кому-то повезёт получить один из доступных протезов: совсем уж простой и манекеноподобный или сложный бионический, который может двигать пальцами искусственной кисти и даже ощущать прикосновения.
Однако самые функциональные протезы, выполненные на металлических каркасах с электродвигателями, стоят дорого (более $10 тысяч), могут быть тяжелыми (более 400 граммов) и жесткими.
Надувная "умная рука" американских и китайских инженеров лишена этих недостатков. Она мягкая и эластичная, а весит примерно полкило, как самые легкие жесткие протезы. Компоненты, из которых она создана, стоят в сумме около 500 долларов США (примерно 37 тысяч российских рублей).
Добровольцы с ампутированной рукой, испытавшие этот мягкий протез кисти, с его помощью смогли застегнуть чемодан, налить сок из пакета в стакан и погладить кошку так же хорошо, как обладатели жестких нейропротезов.
Поясним, приставка "нейро" подразумевает, что у протеза конечности есть вживленный в тело человека элемент, который получает сигналы от нейронов и передает их электронике протеза для управления движениями искусственного органа.
Исследователи также обнаружили во время испытаний своего детища, что их протез с системой тактильной обратной связи восстановил некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца.
Из чего сделан надувной протез
Надувная искусственная рука выполнена из мягкого, эластичного материала. Протез состоит из пяти пальцев-баллонов, каждый из которых внутри покрыт сегментами пластика, похожими на сочлененные кости в реальных пальцах. Сгибающиеся пальцы присоединены к напечатанной на 3D-принтере "ладони" в форме человеческой кисти.
Конструкция надувного протеза оказалась удивительно прочной и быстро восстанавливалась после удара молотком и даже наезда автомобиля.
"Это еще не готовый продукт, но его эффективность уже близка к существующим нейропротезам или превосходит ее, чему мы очень рады, – говорит Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao), из Массачусетского технологического института. – Потенциально можно сделать этот мягкий протез очень дешевым и подходящим для небогатых семей, в которых есть люди, страдающие от ампутации [конечности]".
Как работает надувной протез
В большинстве существующих нейропротезов движениями каждого пальца управляет встроенный электрический двигатель. В этот раз инженеры использовали пневматическую систему для точного надувания пальцев и сгибания их в определенных положениях. Эту систему, состоящую из небольшого насоса и клапанов, можно носить на поясе. Таким образом, вес самого протеза руки значительно уменьшается.
Разработанная одним из авторов изобретения компьютерная модель соотносит желаемое положение пальца с давлением, которое должен обеспечить насос, чтобы палец занял нужное положение.
С помощью этой модели изобретенный авторами работы контроллер управляет пневматической системой для надувания пальцев в положениях, имитирующих пять общих захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе, сжатие кулака и сложение ладони чашечкой.
Пневматическая система получает сигналы от электромиографических датчиков, установленных в остаточной части конечности. Датчики измеряют электрические сигналы, генерируемые двигательными нейронами мышцы, когда человек с ампутированной конечностью думает о том, как бы он двигал кистью – например, сжимал кулак. Датчики устанавливаются в отверстия протеза, в месте его крепления к конечности пользователя.
Для декодирования сигналов от мышц остаточной части конечности команда использовала уже существующий алгоритм.
Когда человек без руки представляет себе, например, что он держит бокал с вином, датчики улавливают сигналы, посылаемые через мышцы, а контроллер переводит эти сигналы в величины давления воздуха в искусственных пальцах. Насос нагнетает воздух в пальцы под нужным давлением, и пальцы захватывают предмет (в данном случае реальный бокал вина).
Как почувствовать движения протеза
Изобретатели также попытались оснастить свой надувной протез обратной тактильной связью, что значительно повышает управляемость протезом. Сегодня такой функции у большинства бионических протезов нет.
Для этого инженеры прикрепили к кончикам всех пальцев датчики давления, которые при прикосновении к какой-либо поверхности или сжатии предмета выдают электрический сигнал, пропорциональный ощущаемому давлению. Каждый такой датчик подключен к определенному месту на остаточной части конечности пользователя протеза. Благодаря этому, человек может чувствовать, когда большой палец протеза прижат, например, к указательному.
Надувную руку проверяли с помощью двух добровольцев, у каждого из которых были ампутированы верхние конечностей. После 15-минутного обучения операциям с протезом добровольцев попросили выполнить несколько стандартных тестов, чтобы продемонстрировать силу и ловкость искусственной руки.
Эти задания включали в себя складывание шашек, переворачивание страниц, письмо ручкой, подъем тяжелых мячей и сбор хрупких и мягких предметов, таких как клубника и хлеб.
Затем добровольцы прошли те же тесты с помощью жесткой бионической руки. Оказалось, что надувной протез был так же хорош или даже лучше справлялся с большинством заданий, чем его жесткий аналог.
Чтобы проверить, как надувной протез передает ощущения обратно в ампутированную конечность, добровольцу завязали глаза и проверили, сможет ли он почувствовать прикосновения к пальцам искусственной руки. Оба участника испытаний даже различили, к каким пальцам прикасались разработчики. Также они смогли на ощупь различить бутылки разных размеров, которые вкладывались в искусственную руку.
Планы на будущее
Сейчас команда изобретателей заявила патент на дизайн и работает над улучшением чувствительности и диапазона движений своего надувного протеза.
Ранее мы писали о программируемом материале а-ля мышцы осьминога. Он тоже может "надуваться" и менять форму. Кроме того, на 3D-принтере инженеры печатали мягких роботов, управляемых магнитным полем ссылки нет. А еще мы рассказывали о том, в России разработали обучающийся протез и постинсультный экзоскелет.
Больше интересных новостей науки и медицины вы найдёте в разделе "Наука" и "Медицина " на медиаплатформе "Смотрим".
