Надувная роботизированная рука дает пациентам с ампутированными конечностями тактильный контроль в реальном времени

Надувнаяроботизированнаярукадаетпациентамсампутированнымиконечностямитактильныйконтрольвреальномвремени
Inflatable robotic hand gives amputees real-time tactile control
Подпись: Надувная роботизированная рука, разработанная Массачусетским технологическим институтом, дает инвалидам тактильный контроль в реальном времени. Умная рука мягкая и эластичная, весит около полфунта и стоит меньше, чем сопоставимое протезирование. Предоставлено: Массачусетский технологический институт

Для более чем 5 миллионов человек в мире, перенесших ампутацию верхней конечности, протезирование прошло долгий путь. Помимо традиционных придатков, похожих на манекены, растет число коммерческих нейропротезов – бионических конечностей с высокой степенью сочленения, разработанных для восприятия остаточных мышечных сигналов пользователя и роботизированного имитации их предполагаемых движений.

Но эта высокотехнологичная ловкость имеет свою цену. Нейропротезы могут стоить десятки тысяч долларов и строятся на металлических каркасах с электромоторами, которые могут быть тяжелыми и жесткими.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тонг разработали мягкую, легкую и потенциально недорогую нейропротезную руку. Люди с ампутированными конечностями, которые тестировали протез, выполняли повседневные действия, например, застегивали молнию на чемодане, наливали картонный сок и гладили кошку, так же хорошо, а в некоторых случаях и лучше, чем те, кто пользовался более жесткими нейропротезами

Исследователи обнаружили, что протез, разработанный с системой тактильной обратной связи, восстанавливает некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца. Новый дизайн также удивительно прочен, быстро восстанавливается после удара молотком или наезда автомобилем.

Умный рука мягкая и эластичная, и весит около полфунта. Его компоненты составляют около $ 530 – a доля веса и стоимости материалов, связанных с более жесткими умными конечностями.

«Это еще не продукт, но производительность уже аналогичен существующим нейропротезам или превосходит их, что нам очень нравится », – говорит Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды Массачусетского технологического института. «Существует огромный потенциал сделать этот мягкий протез по очень низкой цене для семей с низким доходом, которые пострадали от ампутации».

Чжао и его коллеги опубликовали свою работу сегодня в Nature Biomedical Engineering . Соавторами являются постдок Массачусетского технологического института Шаотин Линь, а также Гоин Гу, Сянъян Чжу и сотрудники из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае.

Рука Большого Героя

Новый гибкий дизайн команды очень похож на некоего надувного робота из мультфильма «Большой герой 6». Как и мягкий андроид, искусственная рука команды сделана из мягкого эластичного материала – в данном случае коммерческого эластомера EcoFlex. Протез состоит из пяти пальцев, похожих на баллоны, каждый из которых покрыт сегментами волокна, подобными сочлененным костям настоящих пальцев. Изогнутые цифры соединены с напечатанной на 3D-принтере «ладонью» в форме человеческой руки.

Вместо того, чтобы управлять каждым пальцем Используя установленные электродвигатели, как это делают большинство нейропротезов, исследователи использовали простую пневматическую систему, чтобы точно надуть пальцы и согнуть их в определенных положениях. Эту систему, включающую небольшой насос и клапаны, можно носить на поясе, что значительно снижает вес протеза.

Предоставлено: Массачусетский технологический институт

Линь разработал компьютерную модель, чтобы связать желаемое положение пальца с соответствующим давлением, которое насос должен приложить для достижения этого положения. Используя эту модель, команда разработала контроллер, который направляет пневматическую систему надувать пальцы в положениях, имитирующих пять обычных захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе, сжатие кулака и сжатие ладони.

Пневматическая система получает сигналы от датчиков ЭМГ – датчиков электромиографии, которые измеряют электрические сигналы, генерируемые двигательными нейронами для управления мышцами. Датчики устанавливаются в отверстии протеза, где он прикрепляется к конечности пользователя. При таком расположении датчики могут улавливать сигналы от остаточной конечности, например, когда человек с ампутированной конечностью представляет, как сжимает кулак.

Затем команда использовала существующий алгоритм, который «декодирует» мышечные сигналы и связывает их с обычными типами хватания. Они использовали этот алгоритм для программирования контроллера своей пневматической системы. Когда человек с ампутированной конечностью представляет, например, что он держит в руке бокал для вина, датчики улавливают остаточные мышечные сигналы, которые затем контроллер преобразует в соответствующие давления. Затем насос применяет это давление, чтобы надуть каждый палец и обеспечить желаемый захват инвалида.

. исследователи стремились включить тактильную обратную связь – функцию, которая не включена в большинство коммерческих нейропротезов. Для этого они прикрепили к каждому кончику пальца датчик давления, который при прикосновении или сжатии выдает электрический сигнал, пропорциональный ощущаемому давлению. Каждый датчик подключается к определенному месту на остаточной конечности человека с ампутированной конечностью, поэтому пользователь может «чувствовать», когда на протезе нажимают, например, большим пальцем, а не указательным пальцем.

Хорошее сцепление

Чтобы проверить надувную руку, исследователи привлекли двух добровольцев, каждому с ампутацией верхней конечности. После того, как добровольцы надели нейропротез, они научились пользоваться им, многократно сокращая мышцы руки, воображая, как делают пять общих захватов.

После завершения этого 16 – минутная тренировка, добровольцев попросили выполнить ряд стандартизированных тестов для демонстрации силы и ловкости рук. Эти задания включали складывание шашек, перелистывание страниц, письмо ручкой, поднятие тяжелых мячей и сбор хрупких предметов, таких как клубника и хлеб. Они повторили те же тесты, используя более жесткую, имеющуюся в продаже бионическую руку, и обнаружили, что надувной протез в большинстве задач был таким же или даже лучше, чем его жесткий аналог. )

Один доброволец также смог интуитивно использовать мягкий протез в

рука.

Команда подала патент на конструкцию через Массачусетский технологический институт и работает над улучшением чувствительности и диапазона движений.

«Теперь у нас есть четыре типа захватов. Могут быть и другие», – говорит Чжао. «Эту конструкцию можно улучшить с помощью более совершенной технологии декодирования, миоэлектрических матриц с более высокой плотностью и более компактной помпы, которую можно было бы носить на запястье. Мы также хотим настроить дизайн для массового производства, чтобы мы могли перенести мягкую роботизированную технологию на приносить пользу обществу “.




Больше информации: Гу, Г. и др. Мягкая нейропротезная рука, обеспечивающая одновременный миоэлектрический контроль и тактильную обратную связь. Nat Biomed Eng (2021). doi.org/11. 1038 / с 41551 – 021 – 00767 – 0