電動(dòng)假肢可以感知觸覺 隨著你的思想移動(dòng)

Keven Walgamott對于撿起雞蛋沒有碾碎它有一種很好的“感覺”。對于幾乎所有人來說似乎都很簡單的事情可能更像是沃爾加莫特的艱巨任務(wù)，他在17年前因電氣事故失去了左手和部分手臂。但是他正在用手指測試高科技假肢的原型，這些手臂不僅可以移動(dòng)，而且可以隨著他的想法移動(dòng)。由于猶他大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程團(tuán)隊(duì)，他“感覺”到了雞蛋的足夠好，所以他的大腦可以告訴假肢手不要擠得太厲害。

這是因?yàn)橛瑟q他大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程副教授Gregory Clark領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為“LUKE Arm”開發(fā)了一種方式(以Luke Skywalker在“The Empire Strikes Back”中獲得的機(jī)器人手牌命名)以模仿方式人手通過向大腦發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘杹砀惺芪矬w。他們的研究結(jié)果發(fā)表在由U生物醫(yī)學(xué)工程博士生Jacob George，前博士生David Kluger，Clark和最新一期“ 科學(xué)機(jī)器人 ”雜志的其他同事共同撰寫的新論文中。

“我們改變了將信息發(fā)送到大腦的方式，使其與人體相匹配。通過匹配人體，我們能夠看到改善的效益，”喬治說。“我們正在制作更具生物學(xué)意義的信號。”

這意味著佩戴假肢的截肢者可以感覺到柔軟或堅(jiān)硬的東西，更好地了解如何撿起它，并執(zhí)行精巧的任務(wù)，否則使用金屬鉤或手爪的標(biāo)準(zhǔn)假肢是不可能完成的。

“這幾乎讓我流淚，”Walgamott在2017年的臨床測試中首次使用LUKE Arm說道。“這真是太神奇了。我從沒想過我能再次感受到這種感覺。”

Walgamott是猶他州West Valley City的房地產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人，也是猶他大學(xué)的七個(gè)測試科目之一，能夠采摘葡萄而不會(huì)碾碎它們，拿起一個(gè)雞蛋而不會(huì)破碎它，并握住他妻子的手在手指上類似于身體健壯的人。

“他想做的第一件事就是戴上他的結(jié)婚戒指。單手很難做到，”克拉克說。“這非常感人。”

猶他大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程博士生雅各布喬治，左，副教授格雷戈里克拉克，正在幫助開發(fā)一個(gè)假肢，可以通過佩戴者的思想移動(dòng)，并感受觸摸的感覺，使其更容易拿起和保持物體。圖片來源：Dan Hixson /猶他大學(xué)工程學(xué)院

如何完成這些工作是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和建模。

LUKE手臂

LUKE Arm已經(jīng)開發(fā)了大約15年。手臂本身主要由金屬馬達(dá)和手上有明顯硅“皮”的部件組成。它由外部電池供電并連接到計(jì)算機(jī)。它由DEKA研發(fā)公司開發(fā)，該公司是一家位于新罕布什爾州的公司，由Segway發(fā)明家Dean Kamen創(chuàng)立。

與此同時(shí)，猶他大學(xué)團(tuán)隊(duì)一直在開發(fā)一種系統(tǒng)，允許假肢進(jìn)入佩戴者的神經(jīng)，就像生物線一樣，向手臂發(fā)送信號以移動(dòng)。這要?dú)w功于猶他大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的一項(xiàng)發(fā)明，名譽(yù)教授理查德·A·諾曼稱為猶他州傾斜電極陣列。陣列是一組100個(gè)微電極和電線，植入截肢者的前臂神經(jīng)并連接到身體外的計(jì)算機(jī)。該陣列解釋來自仍然存在的手臂神經(jīng)的信號，并且計(jì)算機(jī)將它們轉(zhuǎn)換成告訴手臂移動(dòng)的數(shù)字信號。

但它也是另一種方式。執(zhí)行諸如拾取物體之類的任務(wù)需要的不僅僅是大腦告訴手移動(dòng)。假肢手也必須學(xué)習(xí)如何“感覺”物體，以便知道施加多大的壓力，因?yàn)槟銦o法通過觀察它來解決這個(gè)問題。

首先，假肢手上有傳感器，通過陣列向神經(jīng)發(fā)送信號，以模仿手抓住東西的感覺。但同樣重要的是這些信號是如何發(fā)送的。它涉及了解大腦在第一次接觸信息時(shí)如何處理信息轉(zhuǎn)換。在第一次接觸物體時(shí)，一陣沖動(dòng)使神經(jīng)向大腦運(yùn)動(dòng)，然后逐漸減弱。重新創(chuàng)造這是一大步。

“只是提供感覺是一個(gè)大問題，但你發(fā)送信息的方式也非常重要，如果你讓它更具生物學(xué)真實(shí)性，大腦會(huì)更好地理解它，這種感覺的表現(xiàn)也會(huì)更好，”克拉克說。 。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Clark的團(tuán)隊(duì)使用數(shù)學(xué)計(jì)算以及來自靈長類動(dòng)物手臂的記錄脈沖來創(chuàng)建人類如何接收這些不同信號模式的近似模型。然后將該模型實(shí)施到LUKE Arm系統(tǒng)中。

未來研究

除了創(chuàng)建具有觸覺的LUKE Arm原型之外，整個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種完全便攜的版本，無需連接到身體外的計(jì)算機(jī)。相反，一切都將以無線方式連接，為佩戴者提供完全的自由。

克拉克表示，猶他傾斜電極陣列還能夠向大腦發(fā)送信號，而不僅僅是觸覺，如疼痛和溫度，盡管該論文主要涉及觸摸。雖然他們的工作目前只涉及截肢者肘部以下的肢體，但手部的肌肉位于肘部，Clark說他們的研究也適用于那些在肘部以上失去雙臂的人。

克拉克希望，在2020年或2021年，三個(gè)測試對象將能夠在聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)之前將其放回家使用。

該研究涉及多個(gè)機(jī)構(gòu)，包括神經(jīng)外科，物理醫(yī)學(xué)和康復(fù)系和骨科，芝加哥大學(xué)的有機(jī)生物學(xué)和解剖學(xué)系，克利夫蘭診所的生物醫(yī)學(xué)工程系和猶他州神經(jīng)科技公司Ripple Neuro。 LLC和Blackrock Microsystems。該項(xiàng)目由國防高級研究計(jì)劃局和科學(xué)基金會(huì)資助。

“這是一項(xiàng)令人難以置信的跨學(xué)科努力，”克拉克說。“如果沒有團(tuán)隊(duì)中每個(gè)人的大力支持，我們就無法做到這一點(diǎn)。”