Надувная рука заменила жесткий протез и позволила погладить кота

Нейропротезная конечность позволила участнику исследования застегнуть молнию на сумке, налить сок и погладить кота, а сам выдержал удар молотком и наезд автомобиля. О своей разработке ученые сообщили в Nature Biomedical Engineering. Во всем мире насчитывается более пяти миллионов людей, потерявших верхнюю конечность. Это влечет за собой невозможность выполнять привычные бытовые дела, а наиболее используемые протезы представляют собой или косметическую замену, или не очень функциональные крюкоподоные манипуляторы. Идеальный протез должен воспроизводить двустороннюю связь между нервной системой пользователя и окружающей средой благодаря работе центральных и периферийных нейронных сетей, отвечающих за управление моторикой конечностей и в частности тактильное восприятие.

Перспективным решением является целевое восстановления связи мышц с центральной нервной системой (targeted muscle reinnervation, TMR), заключающийся в перенаправлении нервных окончаний людей с ампутированными конечностями, оставшиеся на мышцы груди. Для людей с ампутацией руки или кисти TMR может обеспечивать определенную сенсорную обратную связь, но с ограничениями, накладываемыми датчиками. В частности используемые ЭМГ-датчики, регистрирующие мышечную активность, работающих в той же области (грудная клетка), которую механически стимулируют для работы протеза, и так усложняют воспроизведения тактильной связи. То есть в целом протез может сокращать мышцы, и одновременно чувствовать прикосновение к коже, лежащий над теми же мышцами.

Желательно, чтобы нейропротез был механически податливым, но например, рука состоящая из электродвигателей и механизмов, приводимых в движение сухожилиями даже с эластичными суставами и мягкой кожей, достигает веса в 520 граммов. Поэтому в своей работе исследователи из MIT решили обратиться к области мягкой робототехники, которая завоевала популярность среди инженеров своими облегченными конструкциями, гибкостью и высокой адаптивностью и сочетаемость с легкими эластомерными компонентами, которые используются и для обеспечения тактильного прикосновения. Она помогает работам различать поверхности на ощупь. На этот раз она пригодилась для создания легкой нейропротезной конечности весом 292 грамма и стоимостью компонентов менее 500 долларов, что способна воспроизвести движение руки и даже тактильную обратную связь пациентам с ампутацией предплечья.

Рука состоит из пяти мягких пальцев и ладони, которые обеспечивают шесть активных степеней свободы, а также содержат четыре электронографические датчики, которые измеряют сигналы от остаточных мышц, чтобы контролировать руку и обеспечивать четыре типа захвата. Пять емкостных датчиков с гидрогеля и эластомера на кончиках пальцев измеряют давление соприкосновения, чтобы вызвать электрическую стимуляцию на коже предплечья. Увеличение давления на предмет при прикосновении уменьшает толщину эластомерного слоя и так увеличивает емкость конденсатора, фиксирующие датчики и передают программируемые электрические импульсы через не инвазивный стимулирующий электрод на определенную область конечности. Каждый палец имеет трубчатую структуру с несколькими жесткими элементами, имитирующими анатомию мягкого сустава и костей. Соединение пальцев и ладони обеспечиваются армированным волокном. Податливость материала обеспечивает захват и хрупких и г. «либо предметов, имитируя пассивную податливость рук. По мере увеличения пневматического давления на пальцы, углы изгиба гибких суставов увеличиваются. И именно благодаря пневматическому механизму и модульной конструкции, все элементы руки как-то насосы, клапаны, электронные платы и аккумулятор, можно поместить в небольшую сумку, которую пациенты смогут носить на поясе. При необходимости их можно интегрировать в саму руку, что увеличит вес протеза до 604 граммов.

Перевод материала nauka.ua