Ученые разработали "надувной" нейропротез руки, который значительно дешевле обычных

Инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тонг создали "умную руку" - протез с пневматической системой управления, который проще всего описать как надувной протез. Он дает пациентам с ампутированными конечностями тактильные ощущения и контроль в реальном времени. При этом стоимость комплектующих чудо-протеза - всего около 500 долларов, что значительно дешевле его жестких аналогов.                                    





Смотреть все фото в галерее
Современные бионические протезы гораздо тяжелее и дороже, чем эта разработка. Они имеют вес более 400 граммов и стоят десятки тысяч долларов. Вес "надувной руки" - около 300 граммов, стоимость не превышает 500 долларов. Вот почему эта разработка может стать будущим протезирования.
Она сделана из эластомера и приводится в действие пневматикой. Пять пальцев-баллонов, состоящие из сочленений, которые надуваются с помощью пневматической системы, прикреплены к отпечатанной на 3D-принтере ладони в форме руки человека.    
Пневматическая система получает данные от электромиографических датчиков, прикрепленных к культе, и передает сигналы от мозга протезу. Далее на основании этих сигналов определяется необходимый уровень давления на каждый "палец" для определенных положений и типа хватки. Кроме того, благодаря датчикам на кончиках пальцев у протеза есть возможность обратной тактильной связи.
2021-08-18T17:37:48+03:00




Пневматическая система получает данные от электромиографических датчиков, прикрепленных к культе, и передает сигналы от мозга протезу. Далее на основании этих сигналов определяется необходимый уровень давления на каждый "палец" для определенных положений и типа хватки. Кроме того, благодаря датчикам на кончиках пальцев у протеза есть возможность обратной тактильной связи.    


Надувной протез был испытан на двух добровольцах и во многом показал себя лучше, чем его "жесткие" аналоги. Можно было двигать пальцами, осуществлять захваты предметов, производить различные манипуляции с предметами (например, налить сок из пакета в стакан, погладить кошку, застегнуть чемодан) и чувствовать прикосновения.    


В процессе испытаний было обнаружено, что протез, разработанный с системой тактильной обратной связи, восстанавливает некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца. По словам ученых, он также удивительно прочен и быстро восстанавливается после удара молотком или наезда автомобилем.
"Это еще не конечный продукт, но по своим характеристикам он уже аналогичен существующим нейропротезам или превосходит их, что нам очень нравится, - рассказал Сюань Хэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды в Массачусетском технологическом институте. - Потенциально можно сделать его очень дешевым и подходящим для небогатых семей, в которых есть люди, страдающие от ампутации конечности".
Недостатками аналогичных нейропротезов рук являются их вес (у многих более 400 г), цена - некоторые стоят более 10 000 долларов - и отсутствие тактильной обратной связи.    


Вместо того, чтобы управлять каждым пальцем с помощью установленных электродвигателей, как это делают большинство нейропротезов, исследователи Массачусетского технологического института 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.
Инженеры разработали компьютерную модель, чтобы связать желаемое положение пальца с соответствующим давлением насоса. Созданный на основе этой модели контроллер дает сигналы пневматической системе, и она обеспечивает надувание пальцев в положениях, имитирующих пять обычных захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе, сжатие кулака и сжатие ладони.
Пневматическая система принимает сигналы от датчиков ЭМГ - датчиков электромиографии, которые измеряют электрические сигналы, генерируемые мотонейронами для управления мышцами. Датчики устанавливаются в месте крепления протеза к культе. Это позволяет им улавливать сигналы от остаточной конечности, например, когда человек с ампутированной конечностью воображает, как сжимает кулак.    


Затем используется специальный алгоритм, который "декодирует" мышечные сигналы и связывает их с распространенными типами захвата. Когда человек с ампутированной конечностью представляет, например, что он держит в руке бокал для вина, датчики улавливают остаточные мышечные сигналы, которые контроллер считывает и преобразует в соответствующее давление для каждого пальца протеза. Помпа накачивает их до нужного уровня, чтобы можно было воспроизвести нужный захват.    


Команда разработчиков подала патент на дизайн через Массачусетский технологический институт и работает над улучшением чувствительности и диапазона движений.
"Сейчас у нас есть четыре типа захватов. Может быть больше, - 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 использовать мягкие роботизированные технологии на благо общества".    


Работа исследователей опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.    
Современные бионические протезы гораздо тяжелее и дороже, чем эта разработка. Они имеют вес более 400 граммов и стоят десятки тысяч долларов. Вес "надувной руки" - около 300 граммов, стоимость не превышает 500 долларов. Вот почему эта разработка может стать будущим протезирования.
Она сделана из эластомера и приводится в действие пневматикой. Пять пальцев-баллонов, состоящие из сочленений, которые надуваются с помощью пневматической системы, прикреплены к отпечатанной на 3D-принтере ладони в форме руки человека.    
Пневматическая система получает данные от электромиографических датчиков, прикрепленных к культе, и передает сигналы от мозга протезу. Далее на основании этих сигналов определяется необходимый уровень давления на каждый "палец" для определенных положений и типа хватки. Кроме того, благодаря датчикам на кончиках пальцев у протеза есть возможность обратной тактильной связи.    
Надувной протез был испытан на двух добровольцах и во многом показал себя лучше, чем его "жесткие" аналоги. Можно было двигать пальцами, осуществлять захваты предметов, производить различные манипуляции с предметами (например, налить сок из пакета в стакан, погладить кошку, застегнуть чемодан) и чувствовать прикосновения.    
В процессе испытаний было обнаружено, что протез, разработанный с системой тактильной обратной связи, восстанавливает некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца. По словам ученых, он также удивительно прочен и быстро восстанавливается после удара молотком или наезда автомобилем.
"Это еще не конечный продукт, но по своим характеристикам он уже аналогичен существующим нейропротезам или превосходит их, что нам очень нравится, - рассказал Сюань Хэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды в Массачусетском технологическом институте. - Потенциально можно сделать его очень дешевым и подходящим для небогатых семей, в которых есть люди, страдающие от ампутации конечности".
Недостатками аналогичных нейропротезов рук являются их вес (у многих более 400 г), цена - некоторые стоят более 10 000 долларов - и отсутствие тактильной обратной связи.    
Вместо того, чтобы управлять каждым пальцем с помощью установленных электродвигателей, как это делают большинство нейропротезов, исследователи Массачусетского технологического института 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.
Инженеры разработали компьютерную модель, чтобы связать желаемое положение пальца с соответствующим давлением насоса. Созданный на основе этой модели контроллер дает сигналы пневматической системе, и она обеспечивает надувание пальцев в положениях, имитирующих пять обычных захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе, сжатие кулака и сжатие ладони.
Пневматическая система принимает сигналы от датчиков ЭМГ - датчиков электромиографии, которые измеряют электрические сигналы, генерируемые мотонейронами для управления мышцами. Датчики устанавливаются в месте крепления протеза к культе. Это позволяет им улавливать сигналы от остаточной конечности, например, когда человек с ампутированной конечностью воображает, как сжимает кулак.    
Затем используется специальный алгоритм, который "декодирует" мышечные сигналы и связывает их с распространенными типами захвата. Когда человек с ампутированной конечностью представляет, например, что он держит в руке бокал для вина, датчики улавливают остаточные мышечные сигналы, которые контроллер считывает и преобразует в соответствующее давление для каждого пальца протеза. Помпа накачивает их до нужного уровня, чтобы можно было воспроизвести нужный захват.    
Команда разработчиков подала патент на дизайн через Массачусетский технологический институт и работает над улучшением чувствительности и диапазона движений.
"Сейчас у нас есть четыре типа захватов. Может быть больше, - 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 использовать мягкие роботизированные технологии на благо общества".    
Работа исследователей опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.