Ученые разработали "надувной" нейропротез руки, который значительно дешевле обычных (7 фото + 1 видео)

18 августа 2021

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.

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".