По данным MIT, ежегодно по всему миру более пяти миллионов человек теряют руки в результате болезней или несчастных случаев. Последние достижения в области робототехники и сенсорной обратной связи могут существенно облегчить жизнь пострадавшим. На рынке уже доступны устройства, которые могут считывать остаточные мышечные сигналы и преобразовывать их в движения роботизированных рук. Но такие кибернетические протезы по карману далеко не всем. Ученые решили это исправить.
Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) и Шанхайского университета Цзяо Тонга разработали недорогой роботизированный протез руки, который позволяет пользователю чувствовать прикосновение к предметам.
Пневматическая рука
Протез весит всего 225 граммов и имеет себестоимость не более $500, что на порядок меньше стоимости современных кибернетических протезов. Добиться снижения веса и цены удалось благодаря оригинальной пневматической конструкции.
В протезе не используются дорогие и тяжелые сервоприводы. Пальцы сделаны из мягкого и гибкого эластомера со скелетоподобным каркасом внутри. Они закреплены на пластиковой ладони, напечатанной на 3D-принтере.
Движениями пальцев управляют насосы и клапаны, которые при помощи давления воздуха заставляют ладонь руку выполнять различные жесты. Вся эта пневматическая система управляется с помощью ЭМГ-датчиков, которые считывают нервные импульсы в уцелевшей части руки пользователя.
Нервные импульсы интерпретируются алгоритмом на базе искусственного интеллекта. Система понимает, какой жест хочет сделать пользователь, и воспроизводит его при помощи пневматики. При этом учитывается не только направление движения пальцев, но и сила нажатия. Например, протез позволяет аккуратно поднимать и удерживать винные бокалы.
Более того, каждый палец протеза оснащен датчиком давления. Сигналы с этого датчика преобразуются в электричество и стимулируют определенные участки на уцелевшей части руки пользователя. Это обеспечивает обратную тактильную связь в реальном времени. К ней нужно привыкать, но спустя некоторое время пользователь начинает воспринимать такие сигналы как реальное осязание.
Результаты тестов
Разработка была опробована на двух добровольцах. После короткого обучения пользователи смогли успешно выполнить тесты на силу и ловкость. С помощью пневматического протеза они смогли расставлять фигуры на шахматной доске, писать ручкой, подбирать хрупкие предметы и тяжелые мячи.
Затем эти же тесты были повторены с использованием дорогого коммерчески доступного протеза. Испытуемые сообщили, что новая разработка MIT оказалась «столь же хороша, или даже лучше».
Один из добровольцев эффективно продемонстрировал работу устройства в повседневном домашнем использовании. С помощью протеза он работал с молотком и плоскогубцами, ел торт и яблоки, пожимал руку другому человеку. С завязанным глазами он мог определить, к какому искусственному пальцу прикасались исследователи.
В данный момент разработчики стараются усовершенствовать конструкцию протеза и вывести его на рынок.
«Это еще не рыночный продукт, но его производительность уже превосходит производительность существующих нейропротезов. Существует огромный потенциал для того, чтобы сделать этот мягкий протез очень дешевым для людей с низким доходом, которые пострадали от ампутации», - говорит профессор MIT Сюаньхэ Чжао.
Статья о разработке опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
