Учёные знают, как наделить роботизированные протезы чувствительностью. Правильный ответ: путём интеграции массива электродов в кору головного мозга и передачи импульсов через уцелевшие нервные окончания в ампутированной конечности.
Десятки исследовательских групп по всему миру работают над созданием «умных» протезов, которые могли бы облегчить жизнь людей с ампутированными конечностями. Успехов на этом поприще добилась команда профессора машиностроения Майкла Гольдфарба (Michael Goldfarb) из Университета Вандербильта (США).
Профессор Майкл Гольдфарб (здесь и ниже изображения Университета Вандербильта).
Группа г-на Гольдфарба спроектировала высокотехнологичный протез ноги, который способен имитировать полную функциональность здоровой конечности в том, что касается свободы движений. Изделие оснащено электрическими моторами, заменяющими мышцы, блоком аккумуляторных батарей для подачи необходимой энергии и микроконтроллером, берущим на себя утерянные функции центральной нервной системы.
Кроме того, протез наделён набором сенсоров. Датчики определяют углы сгибания коленного и голеностопного суставов, силу давления на искусственную стопу, скорость и направление движения и пр.
Команда профессора Гольдфарба называет пять ключевых характеристик роботизированных протезов, которые позволят максимально приблизить их по возможностям к человеческим конечностям.
1. Электроприводы
Для обеспечения точной и быстрой реакции потребуются современные электромоторы с высокой эффективностью работы. Предлагается применять бесщёточные электродвигатели с компьютерным управлением для регулировки усилия в разных сочленениях. Бесщёточные моторы смогут обеспечить удельную мощность до 200 Вт/кг, что сравнимо с показателем скелетных мышц (250 Вт/кг).
2. Источник питания
Питание для электромоторов должны обеспечивать аккумуляторы, удовлетворяющие таким требованиям, как высокая плотность хранения энергии и относительно небольшой вес. На эту роль подойдут литий-ионные батареи последнего поколения.
3. Сенсоры
Как уже отмечалось, протез ноги, созданный командой Майкла Гольдфарба, использует множество разных датчиков. Речь идёт о применении микроэлектромеханических систем (МЭМС) — устройств, объединяющих микроэлектронные и микромеханические компоненты. Они, в частности, оснащены гироскопом и акселерометром. Такие чипы имеют площадь всего около 2 мм² и практически не потребляют энергии. Между тем они обеспечивают необходимую точность для сохранения равновесия и координации в пространстве.
4. Микроконтроллер
Разумеется, для управления электроникой и электрическими приводами потребуется бортовой микрокомпьютер. При этом, как отмечают исследователи, немаловажную роль в работе всей системы сыграет интеллектуальное программное обеспечение, способное адаптироваться под текущую ситуацию, нагрузку и окружающие условия.
5. Невральная интеграция
В перспективе учёные намерены обеспечить протезы чувствительностью. Здесь выделяются два направления работ: интеграция массива электродов в кору головного мозга и передача импульсов через уцелевшие нервные окончания в ампутированной конечности. Теоретически подобная система позволит человеку воспринимать окружающий мир через робопротез и обеспечит возможность мысленного управления искусственной ногой или рукой.
Строение роботизированного протеза ноги (иллюстрация H. McDonald / Science Translational Medicine).
Увы, признают исследователи, реализация чувствительности в протезах станет возможна в лучшем случае через 5–10 лет. Ну а пока команда г-на Гольдфарба намерена вывести на рынок свою текущую разработку — протез, имитирующий моторику ноги.
По материалам: vopes.com
