Команда из Университета Питтсбурга пытается создать протезы конечностей, которые работают как в фильме «Звездные войны».
После того, как Люк Скайуокер потерял руку в бою на световых мечах, «Ему дают эту новую руку, и вы не можете сказать, что это не его собственная», — говорит инженер-биомедицин Ли Фишер. Люк даже говорит «ой», когда медицинский дроид нажимает на его протезный палец.
«Это наша долгосрочная цель, — говорит Фишер, — восстановить сенсорную обратную связь с отсутствующей конечностью».
Человеческий мозг полагается на постоянный поток тактильной информации для выполнения основных задач, таких как удержание чашки кофе. Тем не менее, некоторые из самых продвинутых моторизованных конечностей, в том числе те, которые управляются исключительно мыслями человека, не обеспечивают такого рода обратной связи.
В результате даже самые современные протезы часто могут расстраивать своих пользователей.
Фишер — один из более чем 80 ученых, сотрудников и стажеров в реабилитационных лабораториях нейронной инженерии университета, который работает над добавлением ощущения прикосновения к протезированию. Цель состоит в том, чтобы оснастить искусственные руки и ноги датчиками, которые связаны с собственной нервной системой человека. Например, лаборатория Фишера соединяет протезы рук и ног с устройством, имплантируемым в позвоночник человека.
«По сути, это похоже на лапшу из спагетти», — говорит он. «Их можно вводить через иглу, так что это довольно минимально инвазивный процесс».
Изначально устройство было разработано для облегчения хронической боли путем подачи электрических импульсов в спинной мозг. Но лаборатория Фишера использует его для передачи информации с датчиков на протез руки или ноги.
Фишер говорит, что хитрость заключается в стимуляции тех же нервных волокон, которые когда-то были соединены с собственной конечностью человека.
Это требует проб и ошибок.
«Первое, что мы делаем, это просто пытаемся понять:»На что была похожа стимуляция?», — говорит он. «Можем ли мы создать ощущение, будто оно исходит от отсутствующей руки или отсутствующей ноги? Можем ли мы изменить интенсивность ощущения? «
«Там нет руки, но я ее чувствую»
Исследование четырех человек предполагает, что ответ — да. Пэт Бэйн, участница, чья правая рука была ампутирована, чтобы остановить инфекцию, описывает, на что похожа стимуляция в видео, сделанном университетом: «Я знаю, что там нет руки, но я это чувствую», — говорит она. «Они могут заставить мою ладонь чувствовать, что это ладонь моей руки. Это довольно захватывающе «.
Участники также сообщают, что стимуляция уменьшает восприятие боли, исходящей от отсутствующей конечности — распространенной проблемы после ампутации.
Команда Фишера в настоящее время также работает над использованием спинномозговых имплантатов для обеспечения сенсорной обратной связи с искусственными ногами и ступнями.
Фишер говорит, что добавление может сделать эти протезы более полезными, потому что мы полагаемся на постоянную обратную связь от наших ног, чтобы оставаться в вертикальном положении. «По сути, мы похожи на перевернутый маятник, который нужно постоянно перемещать, чтобы поддерживать равновесие», — говорит он.
Предварительные результаты показывают, что по крайней мере одному человеку, использующему протез стопы, помогла обратная связь.
«Мы увидели, что похоже на улучшения в ее контроле равновесия во время стояния, ее устойчивости во время ходьбы, а также, возможно, некоторые улучшения в ее уверенности», — говорит Фишер.
Обращение к разуму в одиночку
По словам Дженнифер Коллинджер, доцента кафедры физической медицины и реабилитации университета, парализованные люди также могут воспользоваться протезами с осязанием. В течение нескольких лет Питтсбургская группа работала с парализованными добровольцами, которые научились управлять роботизированной рукой, используя только свои мысли. По словам Коллингера, цель состоит в том, чтобы разработать технологию, которая позволила бы им быть более независимыми.
«Мы движемся к тому, чтобы иметь возможность самостоятельно питаться, готовить еду, одеваться», — говорит она.
Но подобные задачи будут сложными, если человеку придется полагаться исключительно на свои глаза, чтобы знать, что делает роботизированная рука.
Итак, ученые из Питтсбурга добавляют сенсорные датчики того же типа, которые они используют для улучшения протезов рук. Но в этом случае сенсорная информация доставляется непосредственно в мозг, а не проходит через позвоночник. Исследование одного человека показало, что чувство осязания имеет большое значение, говорит Роберт Гонт, инженер-биомедицин.
«Это сокращает вдвое время, необходимое кому-то, чтобы поднимать предметы и перемещать их», — говорит он. И в некоторых случаях человек выполнял задачу почти так же быстро, как трудоспособный человек.
Пока ученые могут предложить только очень базовое чувство осязания людям, которые используют протезы конечностей.
По словам Гонта, обратная связь достаточно хороша, чтобы знать, когда на ногу приходится вес или рука столкнулась с объектом. Но пользователи часто описывают это ощущение как вибрацию, жужжание, покалывание или давление.
«Информация, которую мы можем предоставить, определенно не является идеальной заменой того, что они потеряли», — говорит Фишер.
По словам Гонта, информация будет улучшаться по мере появления новых датчиков, и ученые найдут лучшие способы подключения их к нервной системе человека.
Но в ближайшее время это не будет соответствовать чувствительности протеза руки Люка Скайуокера.
«Наша способность различать различные типы объектов, текстур, поверхностей — это сложная проблема», — говорит Гонт. Однако он надеется, что это не недостижимо.
