Здоровый человек, не имеющий патологий нервной системы и опорно-двигательного аппарата, обладает уникальной способностью осуществлять быстрый и точный контроль движений собственных конечностей. Данная уникальная функция этой биологической системы обеспечивается проприоцептивной системой, позволяющей человеку в практически любой момент времени определять положение конечности и её составляющих элементов. Благодаря этому движения руки и отдельных сегментов выполняются скоординированно при выполнении любых манипуляций. В отличие от естественных механизмов управления, функционирование протезов — даже бионических моделей — существенно осложнено. При попытке совершить точечное действие с помощью протеза отсутствует достаточная прецизионность движений, что может привести к случайному травмированию лица или области глаз вместо достижения намеченной цели. Ожидается, что в перспективе развитие технологий позволит успешно решить данную проблему.
Работа началась уже сейчас — ученые из MIT работают над новыми нейронными интерфейсами управления протезами. Если все получится, то управление искусственными конечностями будет таким же простым делом, как и выполнение операций ногами, руками и их элементами.
Интерфейс будет подключаться к нервной системе оставшихся активными мускулов травмированной ноги или руки. Если человек захочет совершить движение несуществующей ступней, то отделы мозга, которые отвечают за это действие, все равно активизируются, приводя в движение мускулы ноги. А вот сигналы мускулов и нервов будут восприниматься протезом, который станет выполнять нужные человеку движения.
Исследователи продвинулись достаточно далеко в своей работе, результаты которой были опубликованы на данях Science Translational Medicine. Интерфейс, о котором шла речь выше, получил название «agonist-antagonist myoneural interface» (AMI). В эксперименте участвовал доброволец — человек, лишившийся стопы. Ля него создали протез, которым он смог управлять практически так же точно, как и ступней.
Ученые очень близки к тому, чтобы сформировать единую бионическую систему из поврежденной ноги. Она, фактически, является единым целым, с кибернетическими и биологическими элементами. «Поскольку мускулы управляются при помощи нервов, всем управляет мозг, сигналы которого передаются в нервную систему, после чего активируется уже мышечная система», — говорит один из разработчиков.
Бионический протез способен улавливать электрические сигналы нервной системы. Человек, думая, например, об изменении положения стопы, управляет протезом. Самое сложное — это дешифровка сигналов нервных окончаний и преобразование их в сигналы, «понятные» бионическому протезу. Собственно, это основная проблема для современной индустрии разработки бионических «умных» протезов.
Ученым из MIT удалось выполнить эту работу и сделать так, что действия искусственной стопы точно повторяют желание человека по управлению ею. В итоге пациент может совершать синхронные движения как протезом, так и оставшейся стопой + протезом. По мнению специалистов, наиболее перспективный путь развития для протезирования конечностей — объединение технологических и естественных элементов.
Разработчики кибернетической стопы считают, что их исследование позволит уже в недалеком будущем создавать совершенные бионические протезы для пациентов с ампутированными частями рук или ног.
А ученые из Сеульского университета смогли создать аналог нерва — правда, не для человека, а для таракана. Подсоединив этот нерв к ноге таракана, специалисты смогли имитировать передачу сигналов от собственных нервов таракана к конечности. В итог она двигалась.
Этот нерв, который называется афферентным, отвечает не только за движение, но и за передачу сигналов при прикосновении конечности к определенному объекту. А это рецепторы, синапсы и несколько других элементов, аналоги которых ранее никто не создавал. Исследователи, о которых идет речь — группа ученых под руководством Тхэ-У Ли (Tae-Woo Lee).
Роль механорецепторов в разработке ученых играют резистивные датчики давления. Он состоит из плоского золотого электрода и углеродного электрода, состоящего из нанотрубок. Второй находится прямо над первым, так что при увеличении давлении площадь контакта между ними увеличивается. А это в свою очередь, дает возможность измерить величину давления.
Для любознательных
Разработкой продвинутых бионических протезов с точным управлением и считыванием сигналов нервной системы в России и мире занимаются ведущие высокотехнологичные компании и научные центры: Моторика, Ottobock и Össur.
В России
- «Моторика»: российский лидер в сфере кибернетических средств реабилитации. Компания разрабатывает активные бионические протезы кисти и локтя, а также активно развивает нейротехнологии и проекты по очувствлению протезов (созданию обратной связи через электростимуляцию нервной системы).
- «MaxBionic»: создатели многосхватного бионического протеза кисти MeHandA, в котором применяются мощные электроприводы и элементы искусственного интеллекта для интуитивного управления.
В мире
- Ottobock (Германия): мировой лидер в протезировании. Производит знаменитые бионические системы (например, кисть Michelangelo), которые используют микропроцессорное управление и считывают тончайшие электрические сигналы с оставшихся мышц культи.
- Össur (Исландия) / Touch Bionics: создатели линейки многосхватных протезов i-limb. Их технологии позволяют настраивать десятки вариантов естественного хвата, управляемых миосигналами.
- Coapt (США): разработчик специализированных систем управления с использованием алгоритмов распознавания образов (pattern recognition), которые позволяют улавливать комплексные нервные сигналы и обеспечивают высочайшую точность координации движений.
Разница между инвазивными (вживляемыми) и неинвазивными (накожными) методами считывания сигналов. инеженерная сторона
Главное инженерное различие между этими методами заключается в соотношении уровня «шума» и хирургических рисков: неинвазивные датчики требуют сложнейшей цифровой фильтрации сигнала, а инвазивные — экстремальной биосовместимости и микроминиатюризации электроники.
Прямое сравнение инженерных подходов
| Инженерный параметр | Неинвазивные методы (Накожные) | Инвазивные методы (Вживляемые) |
|---|---|---|
| Физическая природа сигнала | Поверхностная электромиография (пЭМГ / sEMG) | Электромиография (иЭМГ), сигналы нервных стволов или моторной коры мозга |
| Амплитуда полезного сигнала | Очень низкая (\(10\text{–}1000 \ \mu\text{V}\)) | Относительно высокая (до нескольких \(\text{mV}\) на мышечных волокнах) |
| Отношение сигнал/шум (SNR) | Низкое. Сигнал затухает, проходя через жир, кожу и одежду | Высокое. Электрод касается непосредственно источника импульса |
| Пространственное разрешение | Низкое. Датчик «слышит» размытый хор сотен мышечных волокон | Высокое. Позволяет изолировать сигнал от конкретного нервного пучка или нейрона |
| Способ передачи данных | Проводной шлейф внутри гильзы | Беспроводной (телеметрия по радиоканалу) или через титановый разъем |
| Источник питания | Внешний съемный аккумулятор протеза | Беспроводная индукционная зарядка (как у смартфонов) |
Инженерная изнанка неинвазивных (накожных) систем
Архитектура таких систем строится вокруг математической обработки сигналов, так как сами физические датчики просты (обычно это сухие металлические пластины).
- Проблема кросс-тока (Cross-talk): Когда пользователь хочет пошевелить указательным пальцем, накожный датчик улавливает также активность соседних мышц, отвечающих за средний палец и кисть.
- Матричный подход (High-Density EMG): Вместо двух крупных датчиков современные инженеры используют сетку из 32, 64 или 128 микроэлектродов. Это позволяет построить «тепловую карту» электрической активности предплечья.
- ИИ-декодирование: Для распознавания паттернов инженеры применяют сверточные нейросети (CNN). Сеть обучается понимать, что определенная комбинация слабых сигналов со всей матрицы означает команду «сжать в кулак».
- Уязвимость к внешней среде: Главный кошмар инженера здесь — изменение импеданса (сопротивления) кожи. Стоит пользователю вспотеть или сместить протез на пару миллиметров, калибровка ИИ «плывет».
Инженерная изнанка инвазивных (вживляемых) систем
Здесь фокус смещается с программирования на материаловедение, микроэлектронику и беспроводные технологии. Инженеры проектируют интерфейсы трех типов: внутримышечные (электроды вживляются в остатки мышц), периферические (манжеты вокруг нервов) и кортикальные (чипы в мозг).
- Борьба с биоотторжением (Foreign Body Response): Живой организм воспринимает кремний и металл как врагов, окружая их плотной соединительной тканью (шрамом). Из-за этого сигнал падает до нуля через несколько месяцев. Инженеры решают это созданием ультрагибких электродов из графена, гидрогелей или проводящих полимеров (\(PEDOT\)), которые имитируют механическую жесткость живых тканей.
- Микроминиатюризация и ASIC: Внутри тела нельзя разместить большую плату обработки. Инженеры проектируют специализированные интегральные схемы (ASIC). Это чипы размером в несколько миллиметров, которые должны прямо «на месте» усилить сигнал, оцифровать его и перевести в радиоформат.
- Беспроводная телеметрия и питание: Провода, выходящие сквозь кожу наружу — это постоянный риск инфекции. Инженеры создают герметичные титановые или стеклянные капсулы. Питание передается внутрь тела с помощью катушек индуктивности (Near-Field Communication), а данные о нейронной активности передаются наружу по высокочастотному радиоканалу.
- Проблема деградации материалов: Среда внутри человеческого тела крайне агрессивна (соленый раствор с активными ионами). Металлические микроиглы электродов подвергаются электрохимической коррозии под действием постоянных микротоков. Разработчики используют платиново-иридиевые сплавы и наноструктурированное покрытие для повышения долговечности.
Главные тренды и технологические прорывы, которые определяют будущее этой отрасли:
1. Очувствление (Двусторонняя связь)
Современные бионические протезы в основном работают «в одну сторону»: человек подает сигнал — протез сжимается. Главная перспектива ближайших лет – возвращение осязания.
- На пальцах протезов размещают ультрачувствительные датчики давления и температуры.
- Информация с них преобразуется в электрические импульсы и передается обратно в нервную систему через имплантированные электроды.
- Пациенты в ходе клинических испытаний (включая совместные проекты компании «Моторика» и российских ученых) уже способны с закрытыми глазами определять размер предметов, их форму, а также отличать мягкое от твердого. К 2030 году такие протезы планируют запустить в серийное производство.
2. Внедрение ИИ и машинного обучения
Нервные сигналы людей уникальны и часто зашумлены. Вместо стандартных датчиков разработчики внедряют алгоритмы распознавания образов (Pattern Recognition) на базе искусственного интеллекта.
- Протез постоянно обучается и подстраивается под конкретного пользователя.
- ИИ анализирует контекст: например, если человек тянется к чашке, встроенные камеры и нейросеть заранее предугадывают нужный тип хвата, делая движения плавными и естественными.
3. Инвазивные нейроинтерфейсы (Управление напрямую из мозга)
Будущее за отказом от считывания сигналов с мышц культи (миоэлектрика) и переходом к прямому подключению к нервной системе.
- Периферический уровень: Установка гибких многоканальных электродов непосредственно на нервные волокна в руке или ноге. Это дает ювелирную точность управления каждым пальцем отдельно.
- Центральный уровень (BCI / ИМК): Вживление чипов в моторную кору головного мозга (технологии в стиле Neuralink Илона Маска или клинических систем Braingate). Это позволяет управлять сложнейшими роботизированными руками силой мысли даже людям с полным параличом.
4. Остеоинтеграция
Классическая проблема протезов — неудобная пластиковая гильза, которая натирает кожу и плохо фиксируется. Перспективный стандарт — остеоинтеграция, когда титановый штифт вживляется прямо в кость пациента, а к его внешнему концу жестко крепится протез. Это обеспечивает идеальный контроль над конечностью, позволяет «чувствовать» протезом структуру поверхности (через вибрацию кости) и исключает кожные воспаления.
5. Мягкая бионика и новые материалы
Привычные металлические и пластиковые конструкции заменяются гибкими полимерами и «мягкой робототехникой» (soft robotics). Протезы будущего станут эластичными, визуально и тактильно похожими на настоящую плоть, но при этом сохранят высокую прочность.
Источник: https://habr.com/
Автор: Максим Агаджанов
