Bionička noga se kreće kao prirodni ekstremitet – bez svesne namere

Kompjuterski interfejs povezuje signale iz mozga sa veštačkim ekstremitetom, dajući korisniku bolju ravnotežu, fleksibilnost i brzinu.

Robotska noga koja može biti potpuno kontrolisana mozgom i kičmenom moždinom omogućila je da sedam ljudi bez donjeg dela noge hodaju otprilike brzo kao ljudi bez amputacije.

Bionički ekstremitet koristi kompjuterski interfejs koji pojačava nervne signale iz mišića u preostalom delu noge i omogućava korisniku da pokreće protezu putem sopstvenih misli i prirodnih refleksa, piše Nature.

Preporučujemo

U kliničkom ispitivanju sa 14 osoba, učesnici sa ovim interfejsom bili su sposobni da hodaju 41% brže nego oni sa standardnim robotskim nogama. Takođe su imali bolju ravnotežu i mogućnost da promene brzinu, da se penju uz stepenice i da prekoračuju prepreke.

„Ovo je prva studija koja demonstrira prirodne obrasce hoda sa punom nervnom modulacijom pri kojoj mozak ima 100% kontrole nad bioničkom protezom, a ne robotski algoritam“, kaže Hju Her, biofizičar iz Masačusetskog instituta za tehnologiju u Kembridžu.

„Iako je ekstremitet napravljen od titanijuma i silikona i raznih elektromehaničkih komponenti, osećaj je prirodan i ekstremitet se kreće prirodno čak bez svesne namere“.

Mišić sreće mašinu

Većina postojećih bioničkih veštačkih ekstremiteta oslanja se na unapred utvrđene algoritme za izvršenje kretanja i mogu automatski da se prebacuju između predefinisanih modaliteta hodanja u različitim uslovima.

Napredni modeli pomažu ljudima sa amputacijama da hodaju, trče i idu uz stepenice bez zapinjanja, ali robot, a ne korisnik, zadržava kontrolu nad kretanjem noge i uređaj se ne oseća kao deo tela.

Da bi to promenili, Her i kolege su razvili interfejs koji kontroliše robotski ekstremitet pomoću signala iz nerava i mišića preostalih posle amputacije.

Pre postavljanja robotskog uređaja, sedam od 14 učesnika kliničkog ispitivanja podvrgnuto je hirurškoj operaciji radi povezivanja mišića u preostalim delovima nogu, tj. obnavljanja prirodnih pokreta mišića tako da kontrakcija jednog mišića istaže drugi. To doprinosi smanjenju bola, očuvanju mišićne mase i udobnosti u nošenju bioničkog ekstremiteta.

Sama bionička noga uključuje protetički članak sa senzorima i elektrodama zakačenim za površinu kože. Oni hvataju električne signale proizvedene u mišićima na mestu amputacije i šalju ih u mali kompjuter radi dekodiranja. Noga je teška 2,75 kilograma, kao prosečna prirodna težina.

Brza poboljšanja

Radi testiranja sistema, učesnici su koristili svoje nove bioničke noge ukupno šest sati svaki. Zatim su istraživači uporedili njihove učinke u raznim zadacima i učinke sedam drugih učesnika sa konvencionalnom hirurgijom i protezama.

Hirurško povezivanje mišića povećalo je stopu mišićnih signala do proseka od 10,5 impulsa u sekundi, naspram oko 0,7 impulsa po sekundi u kontrolnoj grupi. Iako je to stopa od samo 18% mišićnih signala u biološki neoštećenim mišićima (oko 60 impulsa u sekundi), učesnici kojima su mišići hirurški povezani mogli su potpuno da kontrolišu svoje proteze i hodaju 41% brže od onih u kontrolnoj grupi. Njihove najveće brzine bile su kao kod ljudi bez amputacija prilikom hoda po ravnoj površini duž hodnika dugačkog 10 metara.

Izuzetno je što sa tako malo učenja mogu da postignu toliko dobre rezultate, kažu naučnici.

Istraživači su takođe testirali kretanje u različitim situacijama, uključujući hodanje po površini sa nagibom od pet stepeni, penjanje uz stepenice i prekoračivanje prepreka – učesnici sa hirurškom popravkom mišića su u svim scenarijima imali bolju ravnotežu i brži učinak.

Prirodno iskustvo

Ova tehnologija daje korisniku tako veliku fleksibilnost da je mnogo bliže funkcionisanju biološke noge. Ljudi sa amputacijom žele osećaj kontrole nad svojim ekstremitetima. Žele da osećaju da je ekstremitet deo njihovog tela. Ova vrsta nervnog interfejsa to omogućava.

Poboljšanja u konstrukciji noge mogla bi uključivati laganiji uređaj i unapređivanje elektroda, koje su osetljive na vlagu i znoj i možda nisu pogodne za svekodnevnu upotrebu. Buduće studije bi takođe trebalo da ispitaju da li uređaj može da služi za zahtevnije aktivnosti kao što su trčanje i skakanje.

Her i njegov tim već traže načine da zamene površinske elektrode malim implantiranim magnetnim sferama koje mogu precizno pratiti pokrete mišića.

(Telegraf Nauka/Nature)