Robotická noha, ktorú možno plne ovládať mozgom a miechou, umožnila siedmim ľuďom, ktorí prišli o dolnú časť nohy, chodiť približne rovnako rýchlo ako ľudia bez amputácií.

Bionická noha využíva počítačové rozhranie, ktoré zosilňuje nervové signály zo svalov v zostávajúcej časti nohy, čo umožňuje nositeľovi pohybovať protézou pomocou vlastných myšlienok a prirodzených reflexov.

V klinickej štúdii so 14 osobami boli účastníci s týmto rozhraním schopní chodiť o 41 % rýchlejšie ako tí s tradičnými robotickými nohami. Mali tiež lepšiu rovnováhu a schopnosť meniť rýchlosť, stúpať po schodoch a prekonávať prekážky. Dnes boli vyhlásené výsledkyPrírodná medicínazverejnené 1.

"Toto je prvá štúdia, ktorá ukazuje prirodzené vzorce chôdze s plnou nervovou moduláciou, kde má mozog človeka 100% kontrolu nad bionickou protézou, nie robotický algoritmus," povedal spoluautor štúdie. Hugh Lord, biofyzik z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge, na tlačovej konferencii oznamujúcej výsledky.

„Hoci je noha vyrobená z titánu, silikónu a rôznych elektromechanických komponentov, noha sa cíti a pohybuje sa prirodzene, bez vedomého myslenia,“ dodal.

Herrovi amputovali obe nohy po tom, čo uviazol na ľade na Mount Washington v New Hampshire počas snehovej búrky v roku 1982. Hovorí, že v budúcnosti by zvážil zariadenia rozhrania pre svoje končatiny.

Sval sa stretáva so strojom

Väčšina existujúcich bionických umelých končatín sa spolieha na prednastavené algoritmy na riadenie pohybov a dokáže automaticky prepínať medzi preddefinovanými režimami pre rôzne podmienky chôdze. Pokročilé modely pomohli ľuďom s amputáciou chodiť, behať a liezť po schodoch plynulejšie, ale pohyb nôh si zachováva robot, nie používateľ, a zariadenie sa necíti ako súčasť tela.

Herr a jeho kolegovia, odhodlaní to zmeniť, vyvinuli rozhranie, ktoré ovláda robotickú nohu pomocou signálov z nervov a svalov, ktoré zostanú po amputácii.

Ich klinická štúdia zahŕňala 14 účastníkov s amputáciami pod kolenom. Pred nosením robotického zariadenia sedem z nich podstúpilo operáciu na spojenie párov svalov vo zvyšných častiach nôh.

Táto chirurgická technika, ktorá vytvára agonistovo-antagonistické myoneurálne rozhranie (AMI), má za cieľ obnoviť prirodzené pohyby svalov tak, že kontrakcia jedného svalu natiahne druhý. To pomáha zmierniť bolesť, udržať svalovú hmotu a zlepšiť pohodlie s bionickou nohou 2.

Samotná bionická noha obsahuje protetický členok vybavený senzormi a elektródami pripevnenými k povrchu kože. Tie zachytávajú elektrické signály generované svalmi v mieste amputácie a posielajú ich do malého počítača na dekódovanie. Noha váži 2,75 kilogramu, podobne ako priemerná hmotnosť prirodzenej dolnej časti nohy.

Rýchle vylepšenia

Na otestovanie systému účastníci cvičili so svojimi novými bionickými nohami celkovo šesť hodín. Vedci potom porovnali svoj výkon v rôznych úlohách s výkonom siedmich ďalších účastníkov, ktorí podstúpili konvenčnú operáciu a protetiku.

AMI zvýšila frekvenciu svalových signálov v priemere na 10,5 pulzov za sekundu v porovnaní s približne 0,7 pulzmi za sekundu v kontrolnej skupine. Hoci to predstavuje iba 18 % svalových impulzov v biologicky intaktných svaloch – asi 60 impulzov za sekundu – účastníci s AMI boli schopní plne ovládať svoje protézy a chodili o 41 % rýchlejšie ako v kontrolnej skupine. Ich špičkové rýchlosti zodpovedajú ľuďom bez amputácií pri chôdzi po rovnej ceste pozdĺž 10 metrov dlhej chodby.

"Vlastne som zistil, že je pozoruhodné, že to dokážu tak dobre s tak malým množstvom učenia," hovorí Levi Hargrove, neurológ z Northwestern University v Chicagu, Illinois. "Ešte väčší prínos by videli s dlhším tréningovým obdobím nosenia zariadenia."

Výskumníci tiež testovali, ako dobre dokážu účastníci zvládnuť rôzne situácie, vrátane chôdze po podlahe s 5-stupňovým sklonom, lezenia po schodoch a prekonávania prekážok. Vo všetkých scenároch používatelia AMI preukázali lepšiu rovnováhu a rýchlejší výkon ako ľudia v kontrolnej skupine.

„Používateľovi poskytuje taký vysoký stupeň flexibility, ktorý je oveľa bližšie k biologickej nohe,“ hovorí Tommaso Lenzi, biomedicínsky inžinier z University of Utah v Salt Lake City.

Prirodzený zážitok

Táto technológia ponúka novú nádej pre ľudí s amputáciou, ktorí chcú znovu získať prirodzenú chôdzu. "Ľudia, ktorí majú amputáciu, si chcú udržať kontrolu nad svojimi končatinami. Chcú mať pocit, že končatina je súčasťou ich tela," hovorí Lenzi. "Tento typ neurónového rozhrania je potrebný na dosiahnutie tohto cieľa."

Vylepšenia konštrukcie nôh by mohli znížiť hmotnosť a optimalizovať povrchové elektródy, ktoré sú citlivé na vlhkosť a pot a nemusia byť vhodné na každodenné použitie, hovorí Lenzi. Budúce štúdie budú potrebné na to, aby sa otestovalo, či zariadenie zvládne náročnejšie aktivity ako šprint a skákanie.

Herr hovorí, že jeho tím už hľadá spôsoby, ako nahradiť povrchové elektródy malými implantovanými magnetickými guličkami, ktoré dokážu presne sledovať pohyby svalov.

Táto štúdia „poskytuje základ, ktorý potrebujeme, aby sme to potom pretavili do klinicky životaschopných technológií a riešení pre každého s amputáciou,“ hovorí Lenzi.