Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) представили перспективную технологию управления роботизированными протезами с помощью миниатюрных магнитов, имплантируемых непосредственно в мышцы человека. Новый подход позволяет отслеживать движения мышц точнее, чем традиционные электроды, и потенциально способен сделать взаимодействие человека с искусственной конечностью более естественным.
Разработка уже прошла первые испытания с участием людей с ампутациями ниже колена. Результаты показывают, что магнитное отслеживание мышечной активности может стать важным шагом к созданию протезов, которые будут гораздо точнее повторять намерения своего владельца.
Почему существующие протезы не всегда слушаются человека?
Большинство современных бионических протезов используют технологию электромиографии (ЭМГ). Она позволяет регистрировать электрические сигналы, возникающие в мышцах при их сокращении.
Для этого на кожу устанавливают специальные электроды. Они улавливают электрическую активность мышц, а программное обеспечение преобразует полученные данные в команды для искусственной конечности. Например, сокращение определенной группы мышц может заставить роботизированную стопу изменить положение или инициировать движение.
Однако у такого подхода есть существенный недостаток: электрическая активность не всегда точно отражает то, что физически происходит с мышцей.
Электроды регистрируют электрические импульсы, но не измеряют непосредственно длину мышцы, скорость ее изменения или другие механические характеристики. Кроме того, точность показаний может снижаться, если мышцы долго остаются напряженными, кожа покрывается потом или датчики улавливают сигналы соседних мышечных групп.
В результате протез иногда реагирует не совсем так, как ожидает пользователь. Управление требует дополнительных усилий, а движения могут выглядеть менее плавными и естественными.
Команда MIT решила пойти другим путем: вместо того чтобы анализировать электрические сигналы, исследователи предложили непосредственно отслеживать механические изменения внутри мышц.
Как работают магнитные имплантаты?
Новая технология получила название магнитомикрометрии (magnetomicrometry). Ее принцип заключается в измерении расстояния между крошечными магнитами, размещенными внутри мышечной ткани.
В каждую исследуемую мышцу имплантируют пару миниатюрных магнитных элементов. Над соответствующими участками кожи располагают внешние датчики, способные регистрировать их магнитное поле.
Когда мышца сокращается или растягивается, расстояние между магнитами меняется. Датчики фиксируют эти изменения, а специальная система вычисляет длину мышцы и скорость ее изменения.
Полученная информация передается контроллеру протеза, который использует ее для управления движением искусственной конечности.
Сами магнитные элементы чрезвычайно малы: их диаметр составляет всего около 3 мм. Они изготовлены из сплава неодима, железа и бора, обладающего сильными магнитными свойствами. Для повышения биосовместимости имплантаты покрывают золотом и париленом C — специальным полимером, применяемым для защиты медицинских устройств.
По данным исследователей, магнитные сигналы можно регистрировать даже через слой тканей толщиной до 6 см.
Главное преимущество такого решения — возможность получать информацию непосредственно о механическом поведении мышцы. Это позволяет системе точнее понимать, какое движение пытается выполнить человек.
Испытания с участием людей с ампутациями
Исследователи проверили технологию с участием трех добровольцев, перенесших ампутацию ниже колена. Все они ранее прошли хирургическую процедуру, известную как агонист-антагонистный мио-нейронный интерфейс (AMI).
Суть этой операции заключается в восстановлении функциональной связи между мышцами, которые в естественных условиях работают в противоположных направлениях. Благодаря этому даже после ампутации мышечные группы могут продолжать взаимодействовать друг с другом.
Такой подход помогает сохранить проприоцепцию — способность организма ощущать положение частей собственного тела и характер их движения без необходимости постоянно смотреть на них.
Сохранение этой обратной связи особенно важно для управления протезами: человек получает более естественное представление о том, что происходит с его конечностью, и может точнее контролировать движения.
В ходе эксперимента участникам имплантировали магнитные элементы в несколько мышц, отвечающих за движения голеностопного сустава. В зависимости от участника исследователи задействовали до четырех мышц.
Затем ученые сравнили магнитомикрометрию с двумя другими методами регистрации мышечной активности: электродами, имплантированными непосредственно в мышцы, и обычными электродами, закрепленными на поверхности кожи.
Для проверки точности управления добровольцам предложили перемещать курсор на экране компьютера, используя движения сохранившихся мышц. Сигналы, полученные разными системами измерения, преобразовывались в команды для курсора.
Результаты показали, что магнитная технология обеспечивала более точные и стабильные управляющие сигналы по сравнению с традиционными поверхностными электродами.
При этом важно уточнить: участники эксперимента пока не ходили с протезами, управляемыми непосредственно с помощью магнитных имплантатов. Исследование проверяло прежде всего эффективность самого интерфейса управления, а не полноценную работу бионической конечности в повседневных условиях.
Что изменится в будущем?
Нынешняя разработка продолжает исследования команды MIT, которая еще в 2021 году продемонстрировала возможности магнитомикрометрии в экспериментах на животных.
Параллельно ученые работали над другими системами управления протезами, включая устройства с имплантируемыми электродами. В частности, ранее они представили роботизированный коленный сустав, использующий более прямые измерения мышечной активности для повышения точности движений.
Новый магнитный подход потенциально способен стать менее инвазивной альтернативой некоторым системам с имплантируемыми электродами. В первую очередь исследователи рассматривают его применение в бионических протезах голеностопного сустава и стопы, которые должны реагировать на намерения пользователя максимально естественно.
Сейчас команда проводит более масштабное исследование, чтобы оценить, насколько эффективно люди смогут управлять протезами с помощью магнитных измерений.
Однако до практического применения технологии еще предстоит пройти несколько этапов. Ученым необходимо проверить безопасность имплантатов, их долговечность и стабильность работы, а также выяснить, насколько хорошо система справляется с повседневными движениями — ходьбой, изменением положения тела и другими привычными действиями.
Если дальнейшие испытания окажутся успешными, магнитомикрометрия может существенно изменить подход к созданию бионических конечностей. Вместо того чтобы ориентироваться только на электрические импульсы, протезы смогут получать более непосредственную информацию о работе мышц и точнее воспроизводить движения, которые человек действительно намеревается совершить.
