Robotu kāja, ko pilnībā var kontrolēt ar smadzenēm un muguras smadzenēm, ir ļāvusi septiņiem cilvēkiem, kuri zaudējuši apakšstilbu, staigāt aptuveni tikpat ātri kā cilvēki bez amputācijām.

Bioniskā kāja izmanto datora saskarni, kas pastiprina nervu signālus no muskuļiem atlikušajā kājas daļā, ļaujot valkātājam pārvietot protēzi, izmantojot savas domas un dabiskos refleksus.

Klīniskajā pētījumā, kurā piedalījās 14 personas, dalībnieki ar šo saskarni spēja staigāt par 41% ātrāk nekā tie, kuriem bija tradicionālās robotu kājas. Viņiem bija arī labāks līdzsvars un spēja mainīt ātrumu, kāpt pa kāpnēm un pārvarēt šķēršļus. Rezultāti tika paziņoti šodienDabas medicīnapublicēts 1.

"Šis ir pirmais pētījums, kas parāda dabiskos gaitas modeļus ar pilnu neironu modulāciju, kur cilvēka smadzenes 100% kontrolē bionisko protēzi, nevis robotu algoritmu," sacīja pētījuma līdzautors. Hjū Kungs, biofiziķis Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā Kembridžā, preses konferencē, kurā tika paziņoti rezultāti.

"Lai gan kāja ir izgatavota no titāna, silikona un dažādām elektromehāniskām sastāvdaļām, kāja jūtas un kustas dabiski, bez apzinātas domāšanas," viņš piebilda.

Herram tika amputētas abas kājas pēc tam, kad viņš 1982. gadā puteņa laikā bija iestrēdzis uz ledus Vašingtonas kalnā Ņūhempšīrā. Viņš saka, ka nākotnē apsvērs iespēju izveidot saskarnes ierīces savām ekstremitātēm.

Muskuļi satiekas ar mašīnu

Lielākā daļa esošo bionisko mākslīgo ekstremitāšu balstās uz iepriekš iestatītiem algoritmiem, lai kontrolētu kustības, un var automātiski pārslēgties starp iepriekš noteiktiem režīmiem dažādiem pastaigas apstākļiem. Uzlabotie modeļi ir palīdzējuši cilvēkiem ar amputētiem plūstošāk staigāt, skriet un kāpt pa kāpnēm, taču robots saglabā kontroli pār kājas kustību, nevis lietotājs, un ierīce nejūtas kā ķermeņa daļa.

Apņēmies to mainīt, Herrs un viņa kolēģi izstrādāja saskarni, kas kontrolē robotu kāju, izmantojot signālus no nerviem un muskuļiem, kas paliek pēc amputācijas.

Viņu klīniskajā pētījumā piedalījās 14 dalībnieki ar amputācijām zem ceļgala. Pirms robotizētās ierīces nēsāšanas septiņiem no viņiem tika veikta operācija, lai savienotu muskuļu pārus atlikušajās kāju daļās.

Šīs ķirurģiskās tehnikas, kas rada agonista-antagonista mioneirālo saskarni (AMI), mērķis ir atjaunot dabiskas muskuļu kustības, lai viena muskuļa kontrakcija izstieptu otru. Tas palīdz mazināt sāpes, uzturēt muskuļu masu un uzlabot komfortu ar bionisko kāju 2.

Pati bioniskā kāja ietver potītes protēzi, kas aprīkota ar sensoriem un elektrodiem, kas piestiprināti pie ādas virsmas. Tie uztver elektriskos signālus, ko rada muskuļi amputācijas vietā, un nosūta tos uz nelielu datoru dekodēšanai. Kāja sver 2,75 kilogramus, kas ir līdzīgs dabīgā apakšstilba vidējam svaram.

Ātri uzlabojumi

Lai pārbaudītu sistēmu, dalībnieki trenējās ar savām jaunajām bioniskajām kājām kopumā sešas stundas katrs. Pēc tam pētnieki salīdzināja savu sniegumu dažādos uzdevumos ar septiņiem citiem dalībniekiem, kuri bija saņēmuši parasto operāciju un protezēšanu.

AMI palielināja muskuļu signālu ātrumu līdz vidēji 10,5 impulsiem sekundē, salīdzinot ar aptuveni 0,7 impulsiem sekundē kontroles grupā. Lai gan tas veido tikai 18% muskuļu impulsu bioloģiski neskartos muskuļos - aptuveni 60 impulsi sekundē - dalībnieki ar AMI varēja pilnībā kontrolēt savas protēzes un staigāja par 41% ātrāk nekā kontroles grupā. To maksimālais ātrums atbilst cilvēkiem bez amputācijām, ejot pa līdzenu celiņu pa 10 metrus garu koridoru.

"Man patiesībā šķita apbrīnojami, ka viņi varēja tik labi paveikties ar tik mazām mācībām," saka Levijs Hargrovs, neirozinātnieks no Ziemeļrietumu universitātes Čikāgā, Ilinoisā. "Viņi redzētu vēl lielāku labumu, ja ierīce valkātu ilgāku apmācību periodu."

Pētnieki arī pārbaudīja, cik labi dalībnieki spēj tikt galā ar dažādām situācijām, tostarp ejot pa grīdu ar 5 grādu slīpumu, kāpjot pa kāpnēm un pārvarot šķēršļus. Visos scenārijos AMI lietotāji demonstrēja labāku līdzsvaru un ātrāku veiktspēju nekā cilvēki kontroles grupā.

"Tas sniedz lietotājam tik augstu elastības pakāpi, kas ir daudz tuvāk bioloģiskajai kājai," saka Tommaso Lenzi, biomedicīnas inženieris no Jūtas Universitātes Soltleiksitijā.

Dabiska pieredze

Šī tehnoloģija piedāvā jaunu cerību cilvēkiem ar amputācijām, kuri vēlas atgūt dabisko staigāšanu. "Cilvēki, kuriem ir amputācija, vēlas saglabāt kontroli pār savām ekstremitātēm. Viņi vēlas justies kā ekstremitāte ir daļa no viņu ķermeņa," saka Lenzi. "Lai to panāktu, ir nepieciešama šāda veida neironu saskarne."

Kāju dizaina uzlabojumi varētu samazināt svaru un optimizēt virsmas elektrodus, kas ir jutīgi pret mitrumu un sviedriem un var nebūt piemēroti ikdienas lietošanai, saka Lenzi. Būs nepieciešami turpmāki pētījumi, lai pārbaudītu, vai ierīce var tikt galā ar daudz prasīgākām darbībām, piemēram, sprintu un lekt.

Herrs saka, ka viņa komanda jau meklē veidus, kā aizstāt virsmas elektrodus ar mazām implantētām magnētiskām bumbiņām, kas var precīzi izsekot muskuļu kustībām.

Šis pētījums "nodrošina pamatu, kas mums nepieciešams, lai pēc tam to pārvērstu klīniski dzīvotspējīgās tehnoloģijās un risinājumos ikvienam, kam ir amputācija," saka Lenzi.