Бионический протез руки теперь способен выполнять мысленные указания владельца

Джоди О’Коннелл-Понкос [Jodie O’Connell-Ponkos] потеряла руку в ходе неосторожного обращения с промышленной мясорубкой. Это случилось в 1985 году. Почти сразу она получила протез, и носила его несколько лет. Все это время девушка ненавидела свою искусственную руку, и однажды просто выбросила ее. С тех пор она не использовала другие протезы в течение 20 лет.

Она не единственная, кто не слишком расположен к протезам. Многие люди, утратившие конечность, отказываются носить искусственные конечности, так что история Джоди не является чем-то из ряда вон выходящим. Пациенты-ампутанты отказываются как от обычных протезов, так и от продвинутых систем с сервоприводами. Процент отказов от современных систем, по статистике, достигает 75%.

Одна из причин — то, что в ряде новых протезов используются современные материалы, мощные сервоприводы и улучшенные крепления. Но вот система управления большинства искусственных конечностей была разработана еще в 1950-х. И с тех пор мало что поменялось. В большей части таких протезов используются довольно простые системы управления. Лишь наиболее совершенные модели оснащены сенсорами, способными измерять электрическую активность оставшейся части конечности и соответствующим образом реагировать. Работа с такими протезами требует солидной практики и они все еще остаются неудобными.

В этом году О’Коннелл-Понкос приняла участие в новой медицинской программе. Ей предложили испытать протез нового типа, который может определять даже очень слабый сигнал нервных окончаний, а не только мышц. Разработан протез компанией Coapt. Это бионическая система, которая выполняет почти все естественные движения, о которых владелец протеза лишь подумал.

Новый протез позволяет совершать сложные движения, которые синхронизируются с движением другой руки. Выше владелица новинки показала, что теперь она может завязать волосы в «конский хвост», без особых проблем.

Компания Coapt вышла на рынок в 2013 году. Сейчас ее протезами пользуются около 200 человек. Управляется протез при помощи встроенной компьютерной системы, которая анализирует получаемые электрические сигналы от мускулов и передает в механическую часть протеза.

Отличием этого протеза от других систем является возможность распознавания сигналов для каждого конкретного движения. Разработчики протеза сравнивают обычную миоэлектрическую систему с аудиосистемой. Такая система, по их словам, может определять только громкость музыки, но не распознает отдельные композиции. Так и обычные протезы — они воспринимают сигнал, но не различают, за какое именно движение такой сигнал отвечает.

Новый же протез «понимает», что вот этот электрический сигнал должен задействовать пальцы, а этот — запястье. В результате протез руки работает в соответствии с мыслями пользователя. Если тот решил взять в руку что-то, протез автоматически откликается на сигнал. Если же владелец протеза захотел поправить прическу, система выполняет намерение владельца. Как уже говорилось выше, устройство от Coapt действует синхронно с другой конечностью, так что и родной и искусственной рукой можно выполнять согласованные действия.

В скором времени компания Coapt собирается выпустить более совершенный протез второго поколения. В этом году компания получила право на использование технологии, разработанной в Университете Пердью. Она позволяет считывать электрические сигналы прямо с кожи, преобразуя затем эти сигналы в команды механической системе протеза.

Coapt — не единственная компания, которая разрабатывает сложные бионические протезы, реагирующие на намерение человека что-то сделать. Не так давно сложный протез получила от DARPA Мелисса Лумис (Melissa Loomis), проживающая в Кантоне (Огайо, США).

В отличие от предыдущей системы этот протез не только откликается на мысленное побуждение к действию. Человек, воспользовавшийся разработкой DARPA, может даже почувствовать прикосновение к предмету. Лумис чувствует четыре из пяти пальцев своей искусственной руки, а также ладонь.

Сам протез состоит из двух частей: приемопередатчик, присоединенный к нервным окончаниям плеча женщины и сам протез с приемником сигналов. Как только Лумис решает пошевелить конечностью, приёмник улавливает сигналы в нервных окончаниях, декодирует их и передает в протез. Бионический протез реагирует соответствующим образом, активизируя тот либо иной сервопривод системы. Результат — искусственная рука двигается.

Для работы с протезом DARPA понадобилось вживить в плечо около 100 различных контактов, которые соединяют нервные окончания плеча с приемопередатчиком и несколькими температурными сенсорами.

Еще один бионический протез, испытанный в прошлом году, справляется со спуском по лестнице. Он был разработан в исследовательской лаборатории при Реабилитационном Институте из Чикаго. Протез ноги автоматически определяет тип действия, которое собирается выполнить владелец протеза ноги.

Для этого компьютерная система протеза считывает электромиографические сигналы, используя электроды, расположенные в каждом из 9 остаточных мышцах оставшейся части конечности. После задействуются 13 механических сенсора, встроенных в протез. Специальный алгоритм распознает сигналы, анализирует паттерны, и система начинает действовать, исходя из ситуации.

В прошлом же году был представлен и еще один управляемый мыслью протез ноги, получивший название MyoElectric Sensor (IMES).

Специалисты, работающие над сложными бионическими протезами, утверждают, что основное препятствие для создания более совершенных систем такого типа — отнюдь не сложность механической и электронной частей протеза. Главная проблема — считывание сигналов, которые подает мозг. К примеру, если человек хочет поднять руку, в его мозге активизируется около 500 млн нейронов. Ученые могут принять и проанализировать одновременный сигнал максимум нескольких сотен таких нейронов. «У нас очень много всего происходит в голове, но очень мало возможностей инструментов для анализа всего этого», — говорит профессор Маклафлин [McLaughlin], один из участников проекта Modular Prosthetic Limb (MPL).

Даже в самых совершенных системах вроде MPL или протеза от Coapt используется набор заранее предопределенных движений. Например, указывание пальцем, сжатие кулака, работа кистью и другие движения — всего от 6 до 8. Обычная рука гораздо более функциональна, чем любой самый продвинутый современный протез. Но каждый месяц появляются новые, все более сложные и совершенные системы. Так что до появления полноценной механической руки, возможно, осталось не так много времени.