Инженеры Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тун разработали мягкий, легкий и потенциально недорогой нейропротез кисти руки. Свое изобретение они описали в научной статье, которую опубликовало издание Nature Biomedical Engineering.

Сегодня в мире проживает более пяти миллионов человек, перенесших ампутацию верхних конечностей. Кто-то будет вынужден приспосабливаться жить без рук. Но кому-то повезёт получить один из доступных протезов: совсем уж простой и манекеноподобный или сложный бионический, который может двигать пальцами искусственной кисти и даже ощущать прикосновения.

Однако самые функциональные протезы, выполненные на металлических каркасах с электродвигателями, стоят дорого (более $10 тысяч), могут быть тяжелыми (более 400 граммов) и жесткими.

Надувная «умная рука» американских и китайских инженеров лишена этих недостатков. Она мягкая и эластичная, а весит примерно полкило, как самые легкие жесткие протезы. Компоненты, из которых она создана, стоят в сумме около 500 долларов США (примерно 37 тысяч российских рублей).

Добровольцы с ампутированной рукой, испытавшие этот мягкий протез кисти, с его помощью смогли застегнуть чемодан, налить сок из пакета в стакан и погладить кошку так же хорошо, как обладатели жестких нейропротезов.

Поясним, приставка «нейро» подразумевает, что у протеза конечности есть вживленный в тело человека элемент, который получает сигналы от нейронов и передает их электронике протеза для управления движениями искусственного органа.

Исследователи также обнаружили во время испытаний своего детища, что их протез с системой тактильной обратной связи восстановил некоторые примитивные ощущения в остаточной конечности добровольца.

Надувная искусственная рука выполнена из мягкого, эластичного материала. Протез состоит из пяти пальцев-баллонов, каждый из которых внутри покрыт сегментами пластика, похожими на сочлененные кости в реальных пальцах. Сгибающиеся пальцы присоединены к напечатанной на 3D-принтере «ладони» в форме человеческой кисти.

Конструкция надувного протеза оказалась удивительно прочной и быстро восстанавливалась после удара молотком и даже наезда автомобиля.

«Это еще не готовый продукт, но его эффективность уже близка к существующим нейропротезам или превосходит ее, чему мы очень рады, – говорит Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao), из Массачусетского технологического института. – Потенциально можно сделать этот мягкий протез очень дешевым и подходящим для небогатых семей, в которых есть люди, страдающие от ампутации [конечности]».

В большинстве существующих нейропротезов движениями каждого пальца управляет встроенный электрический двигатель. В этот раз инженеры использовали пневматическую систему для точного надувания пальцев и сгибания их в определенных положениях. Эту систему, состоящую из небольшого насоса и клапанов, можно носить на поясе. Таким образом, вес самого протеза руки значительно уменьшается.

Разработанная одним из авторов изобретения компьютерная модель соотносит желаемое положение пальца с давлением, которое должен обеспечить насос, чтобы палец занял нужное положение.

С помощью этой модели изобретенный авторами работы контроллер управляет пневматической системой для надувания пальцев в положениях, имитирующих пять общих захватов, включая сжатие двух и трех пальцев вместе, сжатие кулака и сложение ладони чашечкой.

Пневматическая система получает сигналы от электромиографических датчиков, установленных в остаточной части конечности. Датчики измеряют электрические сигналы, генерируемые двигательными нейронами мышцы, когда человек с ампутированной конечностью думает о том, как бы он двигал кистью – например, сжимал кулак. Датчики устанавливаются в отверстия протеза, в месте его крепления к конечности пользователя.

Для декодирования сигналов от мышц остаточной части конечности команда использовала уже существующий алгоритм.

Когда человек без руки представляет себе, например, что он держит бокал с вином, датчики улавливают сигналы, посылаемые через мышцы, а контроллер переводит эти сигналы в величины давления воздуха в искусственных пальцах. Насос нагнетает воздух в пальцы под нужным давлением, и пальцы захватывают предмет (в данном случае реальный бокал вина).

Изобретатели также попытались оснастить свой надувной протез обратной тактильной связью, что значительно повышает управляемость протезом. Сегодня такой функции у большинства бионических протезов нет.

Для этого инженеры прикрепили к кончикам всех пальцев датчики давления, которые при прикосновении к какой-либо поверхности или сжатии предмета выдают электрический сигнал, пропорциональный ощущаемому давлению. Каждый такой датчик подключен к определенному месту на остаточной части конечности пользователя протеза. Благодаря этому, человек может чувствовать, когда большой палец протеза прижат, например, к указательному.

Надувную руку проверяли с помощью двух добровольцев, у каждого из которых были ампутированы верхние конечностей. После 15-минутного обучения операциям с протезом добровольцев попросили выполнить несколько стандартных тестов, чтобы продемонстрировать силу и ловкость искусственной руки.

Эти задания включали в себя складывание шашек, переворачивание страниц, письмо ручкой, подъем тяжелых мячей и сбор хрупких и мягких предметов, таких как клубника и хлеб.

Затем добровольцы прошли те же тесты с помощью жесткой бионической руки. Оказалось, что надувной протез был так же хорош или даже лучше справлялся с большинством заданий, чем его жесткий аналог.

Чтобы проверить, как надувной протез передает ощущения обратно в ампутированную конечность, добровольцу завязали глаза и проверили, сможет ли он почувствовать прикосновения к пальцам искусственной руки. Оба участника испытаний даже различили, к каким пальцам прикасались разработчики. Также они смогли на ощупь различить бутылки разных размеров, которые вкладывались в искусственную руку.

Сейчас команда изобретателей заявила патент на дизайн и работает над улучшением чувствительности и диапазона движений своего надувного протеза.

Ранее мы писали о программируемом материале а-ля мышцы осьминога. Он тоже может «надуваться» и менять форму. Кроме того, на 3D-принтере инженеры печатали мягких роботов, управляемых магнитным полем ссылки нет. А еще мы рассказывали о том, в России разработали обучающийся протез и постинсультный экзоскелет.

Больше интересных новостей науки и медицины вы найдёте в разделе «Наука» и «Медицина » на медиаплатформе «Смотрим».