Motoriseret protesearm, der kan mærke berøring, bevæge sig med dine tanker

Keven Walgamott havde en god "fornemmelse" af at tage ægget op uden at knuse det. Hvad der synes simpelt for næsten alle andre, kan være mere en herkulsk opgave for Walgamott, som mistede sin venstre hånd og en del af sin arm i en elektrisk ulykke for 17 år siden. Men han testede prototypen på en højteknologisk protesearm med fingre, der ikke kun kan bevæge sig, de kan bevæge sig med hans tanker. Og tak til et biomedicinsk ingeniørteam ved University of Utah, han "følte" ægget godt nok, så hans hjerne kunne fortælle den protetiske hånd ikke at presse for hårdt.

Det er fordi holdet, ledet af University of Utah lektor i biomedicinsk teknik, Gregory Clark, har udviklet en måde for "LUKE Arm" (så opkaldt efter den robothånd, Luke Skywalker fik i "The Empire Strikes Back") at efterligne den måde, en menneskelig hånd føler objekter på ved at sende de passende signaler til hjernen. Deres resultater blev offentliggjort i et nyt papir medforfatter af U biomedicinsk ingeniør doktorand Jacob George, tidligere doktorand David Kluger, Clark og andre kolleger i den seneste udgave af tidsskriftet Science Robotics .

"Vi ændrede den måde, vi sender disse oplysninger til hjernen, så den matcher menneskekroppen. Og ved at matche den menneskelige krop, vi kunne se forbedrede fordele, "Siger George." Vi laver mere biologisk realistiske signaler. "

Det betyder, at en amputeret, der bærer protesearmen, kan mærke berøring af noget blødt eller hårdt, forstår bedre, hvordan man tager det op, og udføre sarte opgaver, der ellers ville være umulige med en standardprotese med metalkroge eller kløer til hænder.

"Det fik mig næsten til at græde, "Walgamott siger om at bruge LUKE -armen for første gang under kliniske tests i 2017." Det var virkelig fantastisk. Jeg troede aldrig, at jeg ville kunne føle i den hånd igen. "

Walgamott, en ejendomsmægler fra West Valley City, Utah, og et af syv testemner ved University of Utah, var i stand til at plukke druer uden at knuse dem, tag et æg op uden at knække det, og holde sin kones hånd med en fornemmelse i fingrene, der ligner den hos en handikappet person.

"En af de første ting, han ville gøre, var at tage sin vielsesring på. Det er svært at gøre med den ene hånd, "siger Clark." Det var meget rørende. "

Hvordan disse ting opnås er gennem en kompleks serie af matematiske beregninger og modellering.

LUKE -armen

LUKE -armen har været under udvikling i omkring 15 år. Selve armen er fremstillet af hovedsageligt metalmotorer og dele med en klar silicium "hud" over hånden. Den drives af et eksternt batteri og er forbundet til en computer. Det blev udviklet af DEKA Research &Development Corp., et firma i New Hampshire, der blev grundlagt af Segway-opfinderen Dean Kamen.

I mellemtiden, University of Utah -teamet har udviklet et system, der gør det muligt for protesearmen at ramme brugerens nerver, som er som biologiske ledninger, der sender signaler til armen for at bevæge sig. Det gør det takket være en opfindelse fra University of Utah biomedicinsk teknik Emeritus Distinguished Professor Richard A. Normann kaldet Utah Slanted Electrode Array. Arrayet er et bundt af 100 mikroelektroder og ledninger, der er implanteret i amputerede nerver i underarmen og forbundet til en computer uden for kroppen. Arrayen fortolker signalerne fra de stadig resterende armnerver, og computeren oversætter dem til digitale signaler, der fortæller armen at bevæge sig.

Men det fungerer også den anden vej. At udføre opgaver som at samle genstande kræver mere end bare hjernen, der fortæller hånden at bevæge sig. Den protetiske hånd skal også lære at "føle" objektet for at vide, hvor meget pres der skal udøves, fordi du ikke kan finde ud af det bare ved at se på det.

Først, protesearmen har sensorer i hånden, der sender signaler til nerverne via Array for at efterligne den følelse, hånden får ved at tage fat i noget. Men lige så vigtigt er, hvordan disse signaler sendes. Det indebærer at forstå, hvordan din hjerne håndterer overgange i information, når den først rører ved noget. Ved første kontakt med en genstand, et udbrud af impulser løber op i nerverne til hjernen og derefter aftager. At genskabe dette var et stort skridt.

"Bare det at give sensation er en stor ting, men den måde, du sender disse oplysninger på, er også kritisk vigtig, og hvis du gør det mere biologisk realistisk, hjernen vil forstå det bedre, og udførelsen af ​​denne fornemmelse vil også være bedre, "siger Clark.

For at opnå det, Clarks team brugte matematiske beregninger sammen med registrerede impulser fra en primats arm for at skabe en omtrentlig model for, hvordan mennesker modtager disse forskellige signalmønstre. Denne model blev derefter implementeret i LUKE Arm -systemet.

Fremtidig forskning

Ud over at skabe en prototype af LUKE -armen med en følelse af berøring, det samlede team er allerede ved at udvikle en version, der er fuldstændig bærbar og ikke behøver at være tilsluttet en computer uden for kroppen. I stedet, alt ville være forbundet trådløst, giver brugeren fuldstændig frihed.

Clark siger, at Utah Slanted Electrode Array også er i stand til at sende signaler til hjernen for mere end bare følesansen, såsom smerter og temperatur, selvom papiret primært henvender sig til berøring. Og mens deres arbejde i øjeblikket kun har involveret amputerede, der mistede deres ekstremiteter under albuen, hvor musklerne til at bevæge hånden er placeret, Clark siger, at deres forskning også kan anvendes på dem, der mistede armene over albuen.

Clark håber, at i 2020 eller 2021, tre testpersoner vil kunne tage armen med hjem til brug, afventende føderal lovgivningsmæssig godkendelse.

Forskningen involverer en række institutioner, herunder U's afdeling for neurokirurgi, Institut for Fysisk Medicin og Rehabilitering og Institut for Ortopædi, University of Chicago Department of Organismal Biology and Anatomy, Cleveland Clinics afdeling for biomedicinsk teknik, og Utah neuroteknologivirksomheder Ripple Neuro LLC og Blackrock Microsystems. Projektet er finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency og National Science Foundation.

"Dette er en utrolig tværfaglig indsats, "siger Clark." Vi kunne ikke have gjort dette uden den store indsats fra alle på det hold. "