Искусственные руки, ноги и даже инвалидная коляска, которые управляются только силой мысли. Биопротезы становятся лучше и дешевле
---
Рассказываем о дизайнах биопротезов рук, ног и инвалидных колясок, которые появились за последние годы, описанные модели дают хорошее представление о главных тенденциях: искусственные конечности становятся все легче, способы передачи информации от мозга к протезу – все изощреннее, способность такой системы к самообучению все выше, мелкая моторика все тоньше, и при этом протезы и все, что к ним прилагается, – в разы дешевле. Конечно же, нельзя не приветствовать тот факт, что новые интерфейсы между мозгом и искусственными конечностями не требуют внутричерепных хирургических операций
Локдаун как творческий отпуск
В период пандемии 17-летний школьник из Вирджинии Бенджамин Чой был вынужден прервать свою работу в лаборатории по созданию топлива из алюминия: на время локдауна лаборатория была закрыта. Юный Бенджамин решил, что сидеть без дела негоже, и его активная натура и изобретательный ум подсказали иное, не менее творческое и важное занятие: создание протеза руки с электронным интерфейсом, который позволит хозяину управлять ею силой мысли. Иными словами – бионический протез.
Напоминаем, что такое интерфейс
Интерфейс – это совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие отдельных систем, например человека и программного обеспечения, человека и аппаратного обеспечения, программы и устройства. В случае бионического протеза интерфейс – это алгоритм, считывающий волновую активность мозга и передающий соответствующий сигнал протезу, приводящий его в движение, нужное хозяину. В большинстве доступных на коммерческой основе протезах конечностей такой интерфейс загружается на миничип, который при помощи хирургии размещается внутри черепа хозяина.
К тому моменту подобные протезы уже существовали и даже продавались, хотя и не стали пока стандартом помощи ампутантам, во многом – из-за дороговизны. Бенджамин, однако, решил пойти дальше.
Он поставил себе цель: разработать модель искусственной руки, которая бы не требовала хирургического вмешательства и чипа в голове.
Что ж, сказано – сделано. Чой использовал 3D принтер своей сестры, который умел печатать детали не длиннее 12 сантиметров, поэтому он напечатал маленькие кусочки, из которых и собрал руку, скрепив между собой обычными резинками. А поскольку опыт в создании роботов и программировании у одаренного школьника уже был, он смог сам написать машинный код для созданного девайса. Для этого Чой использовал такой простой и дешевый метод, как электроэнцефалограмма.
Помогали Чою шесть волонтеров. В течение двух или чуть более часов каждый из них выполнял определенные движения рукой, в то время как Чой снимал электроэнцефалограммы участников. Затем он «обучил» искусственный интеллект языку мозга, то есть расшифровки его волновой активности, так что тот научился распознавать сигналы, направляемые мозгом для выполнения того или иного движения тонкой моторики пальцев.
На следующем этапе юноша задался вопросом, как соединить сигналы мозга с протезом, не прибегая к хирургии.
Чой сжал свой алгоритм, который первоначально состоял из 23 тысяч строк, 978 страниц математических формул и семи новых субалгоритмов, и разместил его на чипе, крепящемся на протезе.
Далее он использовал еще два электрода: базовый датчик, который крепится к мочке уха, и датчик на лбу, который собирает данные ЭЭГ. Электрод на лбу улавливает информацию о мозговых волнах и отправляет ее на микрочип в протезе руки, где сигнал расшифровывается и преобразуется в движение. Рука также двигается при помощи жестов головой и останавливается при намеренном моргании. Точность движений такой руки – порядка 95%, тогда как точность коммерческих моделей – максимум 73,8%.
Важно, что подобные коммерческие модели стоят десятки тысяч долларов, а себестоимость новой искусственной руки всего 300 долларов.
Сегодня Бенджамин Чой работает совместно с Массачусетским Университетом над организацией клинических испытаний своей модели, после чего можно будет наладить их производство. За два года протез усовершенствовался, и теперь он производится из современных высокопрочных материалов.
Конкуренты не спят
А вот еще один проект, который тоже не предусматривает внутричерепного вмешательства. Его авторы – участники инженерного стартапа Esper Bionics, базирующегося в Нью-Йорке, – использовали облачный интерфейс, и получилось у них неплохо.
Нейрокомпьютерный интерфейс основан на электромиографии, что позволяет собирать информацию об активности мозга и приводить руку в движение.
Что такое электромиография?
Это метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека при возбуждении мышечных волокон, иными словами – регистрация электрической активности мышц.
Сам протез имеет 24 датчика, которые улавливают и обрабатывают мышечную активность и мозговые импульсы, чтобы активировать действие в руке.
380-граммовая рука выполнена в основном из легких материалов: полиметилена, флюоропластики, нейлона, а также стали, титана, бронзы и трех различных типов силикона.
Как говорит один из соучредителей компании и соавтор разработки, украинский врач-дерматолог Дмитрий Газда, создателей нового протеза вдохновила, с одной стороны, красота человеческого тела, с другой – легкость и прочность материалов, используемых в авиационной технике. «Самообучающаяся роботическая рука воплощает в себе элегантность, функциональность и прочность», – говорит он.
Рука может выполнять практически любые повседневные действия, например, вести машину, открывать бутылку, пользоваться кухонными принадлежностями для приготовления еды, печатать текст на смартфоне, иными словами, мелкая моторика искусственных пальцев максимально близка к моторике пальцев живых.
Трудно себе представить, но искусственные пальцы способны держать маленькую кисточку и наносить на лицо косметику!
А кроме того, искусственная рука модели Esper орудует в три раза быстрее, чем другие протезы, доступные сегодня на рынке. Ее легко снимать и надевать, например, при переодевании.
Электронная платформа-интерфейс может собирать данные о работе протеза с целью дальнейшего самообучения, что дает возможность совершенствования алгоритмов для повышения точности операций, выполняемых рукой. Такая платформа может быть инсталлирована в смартфон хозяина. Благодаря самообучению, зазор между мысленной командой и действием все время сокращается, так как софт учится предсказывать по началу движения его продолжение и действовать соответственно.
Рука надувная, причем с обратной связью
Инженеры знаменитого MIT – Массачусетского института технологий совместно с Шанхайским университетом Цзяо Тун разработали надувной протез руки, которую ее хозяин может запрограммировать под себя в течение 15 минут.
У руки пять надувных пальцев, которые крепятся к ладони, напечатанной на 3D принтере. Внутрь пальцев пропущены волокнистые сегменты, которые напоминают кости в реальных кистях. Пальцы выполнены из эластичного материала EcoFLex. Вся система имеет небольшой насос с клапанами, который хозяин крепит на поясе, а пальцы принимают форму в зависимости от давления насоса.
Протез улавливает остаточные сигналы мышц ампутанта и преобразует их в действия. Как и в случае с протезом Esper, основу софта составляют данные электромиографии, то есть электрических сигналов от остаточных мышц. Например, когда хозяин мысленно складывает ладонь в кулак, рука реагирует соответствующим действием.
Инженеры использовали существующие алгоритмы трансляции мышечных сигналов в различные типы хватательных движений для программирования управляющего устройства. Кроме того, подушечки пальцев оснащены датчиками давления. Так хозяин получает обратный сигнал и может усилить или ослабить хватку, что является редким качеством у биопротезов.
Рука опробована двумя ампутантами-волонтерами. Для начала каждый из участников надевал протез и в течение 15 минут обучал его реагировать на свои мысли о движении. Для этого нужно было поочередно подумать о каждом из способов захвата предмета – взять двумя пальцами, тремя пальцами, в кулак, подставить ладонь ковшиком – мышцы руки волонтера напрягались и передавали сигналы искусственной кисти. Через 15 минут надувная кисть была готова к использованию.
Участники проб также сравнили действия коммерческих биопротезов с надувной кистью и нашли, что надувной вариант не хуже, а в некоторых отношениях даже лучше доступных на рынке.
Надувная кисть прошла тест на мелкую моторику. Ее хозяева смогли держать ручку и писать, переворачивать страницы книги и поднимать объекты различной тяжести.
Одному из участников исследования удалось научить свою новую руку ласкать кошку и пожимать протянутую при встрече руку.
Более того, с темной повязкой на глазах они точно определяли, до какого пальца дотронулся экспериментатор.
Два дополнительных бонуса: надувная рука весит всего 292 грамма, а себестоимость ее – в пределах 500 долларов.
«У нашего мягкого протеза огромный потенциал стать доступным для тех ампутантов, чьи семьи имеют низкий доход», – говорит ученый из MIT Сюаньхэ Чжао.
Ноги тоже не подкачали
Первый биопротез ноги, британская разработка Genium, появился еще в 2011 году, а его счастливым обладателем стал 30-летний британец Мэттью Ньюберри. Биопротез стоил 40 000 фунтов и реагировал на все импульсы хозяина. Он подстраивался под походку Мэттью, позволял ему подниматься по лестнице и даже ездить на велосипеде.
В коленной чашечке у такого протеза находятся микропроцессор и четыре датчика, которые посылают в процессор сведения о движении тела, распределении веса и угле наклона, что дает ему возможность предвидеть следующее движение владельца и реагировать на него.
Сегодня модель Genium по-прежнему дорога, однако есть и более дешевые варианты, начиная с 3 тысяч долларов и выше, в зависимости от изощренности системы.
За прошедшие 11 лет модели продолжали совершенствоваться. Один из последних дизайнов – бионический протез ноги, разработанный учеными Университета Далласа.
«Наш дизайн обеспечивает практически естественную послушность и гибкость суставов. Созданная нами роботическая нога способна выполнять свои функции и даже реагировать на внешние импульсы, как реальные человеческие суставы,
обеспечивая свободу ноги от колена и ниже, естественным образом присущую ей, а также абсорбцию удара при шаге, когда ступня ударяет поверхность», – говорит один из авторов проекта, выпускник докторантуры Техасского университета в Далласе.
Ключом к такому достижению стал маленький, но мощный моторчик, который подзаряжается при ходьбе хозяина. Это позволяет использовать протез без зарядки от сети в два раза дольше, чем другие протезы. Достаточно делать это всего один раз в сутки.
И наконец – отечественная разработка
Как всегда, приятно узнать о достижениях российских ученых и инженеров.
Выпускник Новосибирского государственного технического университета Иван Невзоров создал прототип инновационной инвалидной коляски, которая может преодолевать ступени и другие препятствия, причем пользоваться ею может полностью парализованный человек.
Ему надевают шапочку с электродами, а компьютерная система обрабатывает импульсные команды мозга и преобразует его сигналы в движения вперед, назад, влево, вправо. Также кресло умеет отклонять спинку или включать фары по команде хозяина.
Помимо колес, коляска оборудована гусеничными лентами, которые позволят преодолевать бордюры, спускаться и подниматься по лестнице. В апреле этого года коляска прошла первое рабочее тестирование, однако модель требует дальнейшего совершенствования.
Как говорит Невзоров, главное, что требует доработки, – это безопасность коляски, так как парализованный человек не может быстро нажать кнопку аварийного отключения. «Возможно, функция отключения будет завязана на какое-то определенное моргание глаз», – говорит он.
Будущую стоимость коляски специалисты прогнозируют в диапазоне 460 000 – 560 000 рублей. Похоже, что обойтись без помощи государства или благотворителей большинство семей не сможет.
Сейчас Иван Невзоров, помимо коляски, занят разработкой аналогичной кровати для парализованных, которая сможет менять положение спинки, а также помочь больному выполнять упражнения, меняя положение частей.
Локдаун как творческий отпуск
В период пандемии 17-летний школьник из Вирджинии Бенджамин Чой был вынужден прервать свою работу в лаборатории по созданию топлива из алюминия: на время локдауна лаборатория была закрыта. Юный Бенджамин решил, что сидеть без дела негоже, и его активная натура и изобретательный ум подсказали иное, не менее творческое и важное занятие: создание протеза руки с электронным интерфейсом, который позволит хозяину управлять ею силой мысли. Иными словами – бионический протез.
Напоминаем, что такое интерфейс
Интерфейс – это совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие отдельных систем, например человека и программного обеспечения, человека и аппаратного обеспечения, программы и устройства. В случае бионического протеза интерфейс – это алгоритм, считывающий волновую активность мозга и передающий соответствующий сигнал протезу, приводящий его в движение, нужное хозяину. В большинстве доступных на коммерческой основе протезах конечностей такой интерфейс загружается на миничип, который при помощи хирургии размещается внутри черепа хозяина.
К тому моменту подобные протезы уже существовали и даже продавались, хотя и не стали пока стандартом помощи ампутантам, во многом – из-за дороговизны. Бенджамин, однако, решил пойти дальше.
Он поставил себе цель: разработать модель искусственной руки, которая бы не требовала хирургического вмешательства и чипа в голове.
Что ж, сказано – сделано. Чой использовал 3D принтер своей сестры, который умел печатать детали не длиннее 12 сантиметров, поэтому он напечатал маленькие кусочки, из которых и собрал руку, скрепив между собой обычными резинками. А поскольку опыт в создании роботов и программировании у одаренного школьника уже был, он смог сам написать машинный код для созданного девайса. Для этого Чой использовал такой простой и дешевый метод, как электроэнцефалограмма.
Помогали Чою шесть волонтеров. В течение двух или чуть более часов каждый из них выполнял определенные движения рукой, в то время как Чой снимал электроэнцефалограммы участников. Затем он «обучил» искусственный интеллект языку мозга, то есть расшифровки его волновой активности, так что тот научился распознавать сигналы, направляемые мозгом для выполнения того или иного движения тонкой моторики пальцев.
На следующем этапе юноша задался вопросом, как соединить сигналы мозга с протезом, не прибегая к хирургии.
Чой сжал свой алгоритм, который первоначально состоял из 23 тысяч строк, 978 страниц математических формул и семи новых субалгоритмов, и разместил его на чипе, крепящемся на протезе.
Далее он использовал еще два электрода: базовый датчик, который крепится к мочке уха, и датчик на лбу, который собирает данные ЭЭГ. Электрод на лбу улавливает информацию о мозговых волнах и отправляет ее на микрочип в протезе руки, где сигнал расшифровывается и преобразуется в движение. Рука также двигается при помощи жестов головой и останавливается при намеренном моргании. Точность движений такой руки – порядка 95%, тогда как точность коммерческих моделей – максимум 73,8%.
Важно, что подобные коммерческие модели стоят десятки тысяч долларов, а себестоимость новой искусственной руки всего 300 долларов.
Сегодня Бенджамин Чой работает совместно с Массачусетским Университетом над организацией клинических испытаний своей модели, после чего можно будет наладить их производство. За два года протез усовершенствовался, и теперь он производится из современных высокопрочных материалов.
Конкуренты не спят
А вот еще один проект, который тоже не предусматривает внутричерепного вмешательства. Его авторы – участники инженерного стартапа Esper Bionics, базирующегося в Нью-Йорке, – использовали облачный интерфейс, и получилось у них неплохо.
Нейрокомпьютерный интерфейс основан на электромиографии, что позволяет собирать информацию об активности мозга и приводить руку в движение.
Что такое электромиография?
Это метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека при возбуждении мышечных волокон, иными словами – регистрация электрической активности мышц.
Сам протез имеет 24 датчика, которые улавливают и обрабатывают мышечную активность и мозговые импульсы, чтобы активировать действие в руке.
380-граммовая рука выполнена в основном из легких материалов: полиметилена, флюоропластики, нейлона, а также стали, титана, бронзы и трех различных типов силикона.
Как говорит один из соучредителей компании и соавтор разработки, украинский врач-дерматолог Дмитрий Газда, создателей нового протеза вдохновила, с одной стороны, красота человеческого тела, с другой – легкость и прочность материалов, используемых в авиационной технике. «Самообучающаяся роботическая рука воплощает в себе элегантность, функциональность и прочность», – говорит он.
Рука может выполнять практически любые повседневные действия, например, вести машину, открывать бутылку, пользоваться кухонными принадлежностями для приготовления еды, печатать текст на смартфоне, иными словами, мелкая моторика искусственных пальцев максимально близка к моторике пальцев живых.
Трудно себе представить, но искусственные пальцы способны держать маленькую кисточку и наносить на лицо косметику!
А кроме того, искусственная рука модели Esper орудует в три раза быстрее, чем другие протезы, доступные сегодня на рынке. Ее легко снимать и надевать, например, при переодевании.
Электронная платформа-интерфейс может собирать данные о работе протеза с целью дальнейшего самообучения, что дает возможность совершенствования алгоритмов для повышения точности операций, выполняемых рукой. Такая платформа может быть инсталлирована в смартфон хозяина. Благодаря самообучению, зазор между мысленной командой и действием все время сокращается, так как софт учится предсказывать по началу движения его продолжение и действовать соответственно.
Рука надувная, причем с обратной связью
Инженеры знаменитого MIT – Массачусетского института технологий совместно с Шанхайским университетом Цзяо Тун разработали надувной протез руки, которую ее хозяин может запрограммировать под себя в течение 15 минут.
У руки пять надувных пальцев, которые крепятся к ладони, напечатанной на 3D принтере. Внутрь пальцев пропущены волокнистые сегменты, которые напоминают кости в реальных кистях. Пальцы выполнены из эластичного материала EcoFLex. Вся система имеет небольшой насос с клапанами, который хозяин крепит на поясе, а пальцы принимают форму в зависимости от давления насоса.
Протез улавливает остаточные сигналы мышц ампутанта и преобразует их в действия. Как и в случае с протезом Esper, основу софта составляют данные электромиографии, то есть электрических сигналов от остаточных мышц. Например, когда хозяин мысленно складывает ладонь в кулак, рука реагирует соответствующим действием.
Инженеры использовали существующие алгоритмы трансляции мышечных сигналов в различные типы хватательных движений для программирования управляющего устройства. Кроме того, подушечки пальцев оснащены датчиками давления. Так хозяин получает обратный сигнал и может усилить или ослабить хватку, что является редким качеством у биопротезов.
Рука опробована двумя ампутантами-волонтерами. Для начала каждый из участников надевал протез и в течение 15 минут обучал его реагировать на свои мысли о движении. Для этого нужно было поочередно подумать о каждом из способов захвата предмета – взять двумя пальцами, тремя пальцами, в кулак, подставить ладонь ковшиком – мышцы руки волонтера напрягались и передавали сигналы искусственной кисти. Через 15 минут надувная кисть была готова к использованию.
Участники проб также сравнили действия коммерческих биопротезов с надувной кистью и нашли, что надувной вариант не хуже, а в некоторых отношениях даже лучше доступных на рынке.
Надувная кисть прошла тест на мелкую моторику. Ее хозяева смогли держать ручку и писать, переворачивать страницы книги и поднимать объекты различной тяжести.
Одному из участников исследования удалось научить свою новую руку ласкать кошку и пожимать протянутую при встрече руку.
Более того, с темной повязкой на глазах они точно определяли, до какого пальца дотронулся экспериментатор.
Два дополнительных бонуса: надувная рука весит всего 292 грамма, а себестоимость ее – в пределах 500 долларов.
«У нашего мягкого протеза огромный потенциал стать доступным для тех ампутантов, чьи семьи имеют низкий доход», – говорит ученый из MIT Сюаньхэ Чжао.
Ноги тоже не подкачали
Первый биопротез ноги, британская разработка Genium, появился еще в 2011 году, а его счастливым обладателем стал 30-летний британец Мэттью Ньюберри. Биопротез стоил 40 000 фунтов и реагировал на все импульсы хозяина. Он подстраивался под походку Мэттью, позволял ему подниматься по лестнице и даже ездить на велосипеде.
В коленной чашечке у такого протеза находятся микропроцессор и четыре датчика, которые посылают в процессор сведения о движении тела, распределении веса и угле наклона, что дает ему возможность предвидеть следующее движение владельца и реагировать на него.
Сегодня модель Genium по-прежнему дорога, однако есть и более дешевые варианты, начиная с 3 тысяч долларов и выше, в зависимости от изощренности системы.
За прошедшие 11 лет модели продолжали совершенствоваться. Один из последних дизайнов – бионический протез ноги, разработанный учеными Университета Далласа.
«Наш дизайн обеспечивает практически естественную послушность и гибкость суставов. Созданная нами роботическая нога способна выполнять свои функции и даже реагировать на внешние импульсы, как реальные человеческие суставы,
обеспечивая свободу ноги от колена и ниже, естественным образом присущую ей, а также абсорбцию удара при шаге, когда ступня ударяет поверхность», – говорит один из авторов проекта, выпускник докторантуры Техасского университета в Далласе.
Ключом к такому достижению стал маленький, но мощный моторчик, который подзаряжается при ходьбе хозяина. Это позволяет использовать протез без зарядки от сети в два раза дольше, чем другие протезы. Достаточно делать это всего один раз в сутки.
И наконец – отечественная разработка
Как всегда, приятно узнать о достижениях российских ученых и инженеров.
Выпускник Новосибирского государственного технического университета Иван Невзоров создал прототип инновационной инвалидной коляски, которая может преодолевать ступени и другие препятствия, причем пользоваться ею может полностью парализованный человек.
Ему надевают шапочку с электродами, а компьютерная система обрабатывает импульсные команды мозга и преобразует его сигналы в движения вперед, назад, влево, вправо. Также кресло умеет отклонять спинку или включать фары по команде хозяина.
Помимо колес, коляска оборудована гусеничными лентами, которые позволят преодолевать бордюры, спускаться и подниматься по лестнице. В апреле этого года коляска прошла первое рабочее тестирование, однако модель требует дальнейшего совершенствования.
Как говорит Невзоров, главное, что требует доработки, – это безопасность коляски, так как парализованный человек не может быстро нажать кнопку аварийного отключения. «Возможно, функция отключения будет завязана на какое-то определенное моргание глаз», – говорит он.
Будущую стоимость коляски специалисты прогнозируют в диапазоне 460 000 – 560 000 рублей. Похоже, что обойтись без помощи государства или благотворителей большинство семей не сможет.
Сейчас Иван Невзоров, помимо коляски, занят разработкой аналогичной кровати для парализованных, которая сможет менять положение спинки, а также помочь больному выполнять упражнения, меняя положение частей.
Источник: polonsil.ru
Комментарии (0)
{related-news}
[/related-news]