211service.com
Robotické končetiny, které se zapojují do mozku
Většina robotických paží, které nyní používají někteří lidé po amputaci, má omezenou praktičnost; mají pouze dva až tři stupně volnosti, což umožňuje uživateli provést jeden pohyb najednou. A jsou ovládány vědomým úsilím, což znamená, že uživatel nemůže při pohybu končetiny dělat nic jiného.
Živé končetiny: Mozkem řízená protetická paže, vyvíjená v laboratoři aplikované fyziky na Johns Hopkins University s financováním od DARPA, může umožnit amputovaným provádět mnohem sofistikovanější pohyby.
Nová generace mnohem propracovanějších a věrnějších protetických paží, sponzorovaná Agenturou pro pokročilé výzkumné projekty v oblasti obrany (DARPA) ministerstva obrany, může být dostupná během příštích pěti až 10 let. Dva různé prototypy, které se pohybují obratností přirozené končetiny a lze je teoreticky ovládat stejně intuitivně – pomocí elektrických signálů zaznamenaných přímo z mozku – nyní začínají lidské testy.
Počáteční výsledky jedné z těchto studií – prvních testů ochrnutého člověka ovládajícího robotickou ruku s několika stupni volnosti – budou prezentovány na konferenci Society for Neuroscience v listopadu.
Nové konstrukce mají asi 20 stupňů nezávislého pohybu, což je významný skok oproti stávajícím protézám, a lze je ovládat prostřednictvím různých rozhraní. Jedno zařízení vyvinuté společností Výzkum a vývoj DEKA , lze vědomě ovládat pomocí systému páček v botě.
V invazivnějším, ale také intuitivnějším přístupu, amputovaní podstoupí operaci, aby se zbývající nervy z jejich ztracených končetin přesunuly do svalů hrudníku. Při přemýšlení o pohybu paží se stahují svaly hrudníku, které zase hýbou protézou. Ale tento přístup funguje pouze u těch, kteří mají dostatek zbývající nervové kapacity, a poskytuje omezenou úroveň kontroly. Aby bylo možné plně využít obratnost těchto protéz a zajistit, aby fungovaly jako skutečná paže, vědci je chtějí ovládat pomocí mozkových signálů.
Když zvednete předmět, váš mozek automaticky ví, že má otočit zápěstí a pohnout prsty, říká Michael McLoughlin, který dohlíží na vývoj jedné z protéz Laboratoř aplikované fyziky (APL) na Johns Hopkins University. Chceme obratnou končetinu a schopnost ji ovládat přirozeným způsobem a také určitou úroveň hmatové zpětné vazby.
Omezené testování nervových implantátů u těžce ochrnutých pacientů probíhá posledních pět let. Čipy byly dosud implantovány asi pěti lidem, kteří byli schopni ovládat kurzory na obrazovce počítače, řídit invalidní vozík a dokonce otevřít a zavřít chapadlo na velmi jednoduché robotické paži. Rozsáhlejší testování na opicích s implantovaným kortikálním čipem ukazuje, že se zvířata mohou naučit ovládat relativně jednoduchou protetickou paži užitečným způsobem, používat ji k uchopení a sežrání kousku proskurníku.
Dalším velkým krokem je otázka, kolik dimenzí můžete ovládat? říká John Donoghue , neurovědec z Brown University, který vyvíjí rozhraní mozek-počítač. Natáhnout se pro vodu a přivést ji k ústům vyžaduje asi sedm stupňů volnosti. Celé rameno má řádově 25 stupňů volnosti. Donoghueova skupina, která dohlížela na předchozí testy kortikálních implantátů u pacientů, má nyní dva paralyzované dobrovolníky, kteří testují rameno DEKA. Vědci z APL vyvinuli druhou protetickou paži s ještě větším repertoárem možných pohybů a požádali o povolení zahájit testy na lidech. Jejich cílem je zahájit implantaci pacientů s poraněním míchy v roce 2011 ve spolupráci s vědci z University of Pittsburgh a Caltech.
Dobrovolníci v této studii získají dva různé kortikální čipy, z nichž každý nese 100 záznamových elektrod. Vědci doufají, že zdvojnásobení schopnosti naslouchat mozku poskytne dostatek nezávislých signálů, které umožní složitější pohyby na sofistikovaném rameni APL. Toto je vysoce obratné a antropomorfní rameno, říká Andrew Schwartz , jeden z neurovědců zapojených do studie. Informační šířka pásma, kterou potřebujete k ovládání zařízení, je mnohem vyšší.
Výzkumníci z Pittsburghu budou také testovat nové čipy kombinované s telemetrickými systémy, které zpracovávají některé informace zaznamenané na čipu, než je odešlou do procesoru implantovaného do hrudníku. Procesor pak bezdrátově ovládá rameno. Současné verze používané u lidí a opic odesílají informace prostřednictvím drátů vycházejících z lebky, což dlouhodobě zvyšuje riziko infekce. Zatímco nové nastavení bude poněkud podobné tomu, které se používá u kardiostimulátorů a zařízení pro hlubokou stimulaci mozku, protetická paže vykonává složitější funkce než kardiostimulátor, a proto je k jeho ovládání potřeba více informací. Žádné implantovatelné zařízení nemá telemetrický systém schopný této šířky pásma, říká Schwartz. Tato technologie bude velkým krokem.
Výzkumníci z Pittsburghu se nakonec zaměřují na přidání senzorických schopností také do paží, přidáním materiálů, které dokážou snímat teplo a další vlastnosti a přenést tyto informace do třetího čipu implantovaného do části mozku, která zpracovává smyslové podněty.
Zatím není jasné, jaká bude nejvyšší úroveň složitosti, pokud jde o ovládání ramene. Doufáme, že uděláme alespoň 11 stupňů volnosti, říká Schwartz. Jeho tým vyvinul algoritmy, které dokážou odvodit sedm stupňů volnosti pohybu opic v reálném čase. Jak se posuneme na 20 nebo 30? Nevíme, možná budeme potřebovat nové algoritmy, možná více elektrod, říká Schwartz.
I když jsou testy úspěšné, čelí výzkumníci velké výzvě; musí prokázat, že invazivní kortikální kontrolní systém je výrazně lepší než neinvazivní přístupy. Amputátoři, kteří používají rozhraní ovládané botou, mohou sbírat krabice, ovládat vrtačku a dokonce používat hůlky. Kdybyste byli po amputaci a můžete to udělat s botami, nechali byste si do mozku vložit senzor? ptá se Donoghue. Může to být věcí osobních preferencí a úrovně rizika a prospěchu, kterou je každý člověk ochoten tolerovat. Možná, protože je to přirozenější a můžete chodit a dělat jiné věci.