Искусственная кожа с мультимодельными рецепторами способна ощущать прикосновения, и различать температуру
- Что особенного в коже человека?
- В чем главный недостаток искусственной кожи ныне существующих роботов?
- Суть открытия
- Искусственная кожа с мультимодельными рецепторами: практическое применение
Учеными Пхоханского Университета Науки и Техники (POSTECH) в Южной Корее разработана технология, благодаря которой будет создана чувствительная искусственная кожа. Старания ученых максимально приблизили момент появления машин, умеющих реагировать на тактильные ощущения и изменения температуры. Также ими сделан огромный вклад в продвижение медицинских технологий.
Что особенного в коже человека?
Коже человека – это не просто защитное покрытие. Это орган человеческого организма, в котором находится большое количество всевозможных рецепторов. Именно она отвечает за способность человека обладать такими чувствами, как осязание, чувствительность к боли, ощущения тепла и холода.
Кожа человека – это орган, отвечающий за выживание в сложных условиях. Она подает сигналы в мозг через рецепторы о том, что окружающая температура воздуха слишком низкая или высокая, об атмосферных явлениях, механических воздействиях на организм. В соответствии с этими сигналами мозг реагирует на тот или иной раздражитель. Прикоснись вы к горячей плите, он даст команду отдернуть руку. Выйдете на улицу в лютый мороз, мозг напомнит вам о том, что нужно одеться теплее, чтобы не замерзнуть.
В чем главный недостаток искусственной кожи ныне существующих роботов?
Современные материалы позволяют сегодня создать искусственную кожу для человекоподобных роботов, внешне напоминающую настоящую. Причем, она может быть в сотни раз прочнее человеческой, не иметь недостатков эстетического плана. Но, такое синтетическое покрытие не обладает главным достоинством – в нем отсутствуют рецепторы, отвечающие за важнейшие функции человеческого организма.
В мире уже существуют роботы, ощущающие прикосновение и реагирующие на толчки или щипки. Пример таких машин японский робот-мальчик Аффетто. Также тактильные датчики используются в интерактивных игрушках. Благодаря им смешные зверушки и другие забавные персонажи могут коммуницировать с детьми, проявлять ту или иную реакцию на их действия.
Но, в мире еще нет, ни одного робота, который бы умел реагировать одновременно на разные раздражители, например, температуру и механические прикосновения.
Суть открытия
Совместная исследовательская группа, состоящая из профессора POSTECH Unyong Jeong и доктора Insang You из отдела материаловедения и инженерии, а также профессора Zhenan Bao из Стэнфордского университета разработали мультимодальную ионно-электронную кожу, которая может измерять температуру и механическую стимуляцию одновременно.
Результат их работы на несколько шагов приблизил главную задачу, стоящую перед учеными, по созданию искусственной кожи для роботов. Она состоит в том, чтобы научить машины чувствовать одновременно тактильные и температурные колебания, так как это умеет кожа человека.
Изобретатели научили искусственную кожу чувствовать тепло и механические раздражители с помощью ионных проводников. Основываясь на свойствах электролитов, ученые создали новый искусственный рецептор, который может одновременно измерять тактильные и температурные факторы воздействия.
Искусственная кожа с мультимодельными рецепторами: практическое применение
Применить искусственную кожу с новыми рецепторами, определяющими силу и направление тактильного воздействия, а также температурные факторы, можно при создании человекоподобных роботов.
Но, не менее важная сфера применения искусственной кожи с мультимодальными рецепторами – это медицина. Новое открытие может стать прорывом в лечении пациентов, утративших по той или иной причине способность воспринимать тактильные ощущения. Благодаря работе ученых они получат возможность восстановить, утраченное в результате болезни или травмы осязание.
Создано устройство, восстанавливающее тактильные ощущения
В Тель-Авивском университете разработали технологию, которая поможет вернуть осязание после травмы. Устройство состоит из крошечного датчика, который имплантируется в травмированную конечность, например, в палец, и подключается к здоровому нерву. Каждый раз, когда рука касается поверхности, датчик активируется и проводит электрический ток к неповрежденному нерву, что воссоздает ощущение прикосновения. Своим исследование ученые поделились в журнале ACS Nano.
Credit: Tel Aviv University’s
Повреждение периферических нервов — это распространенное заболевание, которым страдают около 3% пациентов с травмами. Из-за него люди перестают ощущать прикосновения, что мешает в повседневной жизни и повышает риск травм в будущем.
Как восстанавливают осязание
Чтобы восстановить тактильные ощущения, чаще всего используется хирургическая реконструкция нерва аутотрансплантатом, то есть нерв из одной части тела пересаживается в другую. Операция сопряжена с множеством сложностей, например, требует неповрежденной кожи и должна быть выполнена как можно скорее после травмы. Более того, даже при соблюдении этих условий вероятность успеха невысока.
Альтернативный метод восстановления тактильных ощущений — это нейропротезы. Устройства преобразуют давление вокруг поврежденной области в электрические сигналы, которые обрабатываются мозгом. Однако пока эти технологии только развиваются, и немногие из них испытаны in vivo (на животных или людях). Также у созданных устройств есть серьезные недостатки: они дорого стоят, требуют от пациента длительной адаптации и обучения, а для некоторых нейропротезов нужны дополнительные платформы поддержки. Кроме того, современные нейропротезы работают от источников питания, которые сложно заменить, а при повреждении они выделяют токсичные вещества.
TENG-IT
Для создания нового типа устройства нейроученые из Тель-Авивского университета использовали технологию сбора энергии, называемую трибоэлектрическим наногенератором (TENG). Свой прибор ученые назвали TENG-IT — интегрированное тактильное (IT) устройство восстановления сенсорной функции.
В его основе лежит трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. Всякий раз, когда устройство улавливает трение, оно заряжается, поэтому не нуждается в источнике питания.
TENG-IT. Credit: ACS Nano
Датчик вживляют в месте повреждения нерва, например, под кончиком пальца. Затем TENG-IT подключается к здоровому нерву, и тактильные ощущения пальца восстанавливаются.
Устройство состоит из двух миниатюрных пластинок. Когда пластины соприкасаются друг с другом, высвобождается электрический заряд, который передается на неповрежденный нерв. Если травмированный палец касается чего-либо, датчик отслеживает давление и преобразует его в напряжение: слабое для легкого прикосновения и сильное для более значительного — точно так же, как и при нормальном осязании.
Основой конструкции служат каптоновые полимерные полоски толщиной 125 мкм, обеспечивающие гибкость и прочность. На них напыляется слой титана толщиной 5 нм, а сверху — 100 нм золота.
Схема слоев TENG-IT. Credit: ACS Nano
Эксперименты in vivo
Эффективность TENG-IT ученые проверили на крысах. Животных разделили на три группы: контрольную, в которой никаких операций не проводилось, и две группы с удаленным участком большеберцового нерва. В одной из групп крысам имплантировали TENG-IT.
Тактильные ощущения исследовали с помощью проволочной сетки фон Фрея. Крыса стоит на сетке, а снизу на ее лапу оказывают давление с помощью специального наконечника. Когда крыса чувствует давление, она поднимает лапу, а прибор автоматически регистрирует силу воздействия.
Пороги чувствительности в группе TENG-IT (3,99 ± 3,54 г) были сравнимы с контрольной группой (2,69 ± 0,12 г) и в несколько раз превосходили результаты у крыс с удаленным нервом, но без импланта (14.12 ± 2.53 г).
TENG-IT, имплантированное крысе. Credit: ACS Nano
Ученые надеются, что в будущем устройство можно будет вживлять в любой участок тела, где требуется восстановить тактильные ощущения. Процедура имплантации проста, датчик выполнен из биосовместимого материала, безопасного для организма человека, и не требует обслуживания.
Исследователи проверили долговечность TENG-IT в смоделированных биологических условиях в течение 26 дней, но в идеале устройство должно исправно работать в течение многих лет.
Однако до широкого медицинского применения TENG-IT еще далеко. В первую очередь потребуется уменьшить его размер. Сейчас площадь поверхности устройства составляет около 24 мм² , что слишком много, если его нужно имплантировать, например, в кончик пальца. Также потребуется учитывать часть тела, в которую будет помещено устройство, расположение нервов и количество сенсорных нейронов, связанных с нервом. Кроме того, датчик нужно будет откалибровать, чтобы приблизить ощущения к естественным.
Текст: Вера Васильева
Restoring Tactile Sensation Using a Triboelectric Nanogeneratorby by JIftach Shlomy et al in ACS. Published June 2021. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10141
Как улучшить мозг. Выпуск 1: нейропротезы замкнутого цикла
Ежегодной европейской исследовательской премией Frontiers Spotlight Award 2017 награждена группа редакторов журнала Frontiers in Neuroscience под руководством нашего друга Михаила Лебедева (другими редакторами стали Иоан…
«Протез памяти» даёт надежду людям с нейродегенеративными заболеваниями
Учёные из США протестировали нейропротез для усиления памяти человека. Краткосрочная память пациентов при использовании этого устройства улучшилась на 35-37 процентов по сравнению с контрольной группой,…
Американский регулятор установил правила для испытаний нейроинтерфейсов
FDA выпустило руководство по проведению исследований с инвазивными интерфейсами мозг-компьютер. Руководство включает в себя этап доклинических исследований и клинических испытаний нейроинтерфейсов, которых должно быть достаточно для…
Как улучшить мозг, выпуск 16. Протезы для воли
Согласно статье Лозано и Липсмана, болезнь Паркинсона, большое депрессивное расстройство, обсессивно-компульсивное расстройство, а также многие другие можно назвать своего рода расстройствами воли. В них могут…
Нейроинтерфейс позволил обезьянам ощущать виртуальную поверхность
Ученым из Университета Дьюка и Высшей школы экономики удалось создать у обезьян искусственное осязание с помощью прямой стимуляции мозга. Их разработки могут использоваться для создания…
Функциональный нейропротез с сенсорной обратной связью все ближе
Команда Университета Чикаго получила от Национального института здоровья США (NIH) грант в размере 3,4 миллиона долларов на разработку протеза на основе интерфейса мозг-компьютер (BCI), которые…
Мягкие нейроимпланты напечатали на 3D-принтере
Мы уже рассказали в картинке дня, что исследователи из России и Германии разработали технологию 3D-печати мягких нейропротезов NeuroPrint. В перспективе технология сможет помочь людям с…
Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 92: роботы и протезы почувствуют прикосновение
Искусственную нервную систему, которая может позволить протезам и роботам ощущать прикосновение, создали исследователи из Стэнфордского университета. Разработка чувствительна настолько, чтобы идентифицировать буквы в алфавите Брайля, а…
Бионические протезы: на что они способны, и когда мы станем киборгами?
Бионические протезы позволяют людям, оставшимся без ноги или руки, жить полноценной жизнью. Но по факту ими пользуются лишь 10% людей, лишившихся конечностей. Могут ли бионические протезы в будущем сделать из нас киборгов? И почему этого еще не произошло?
- Устройство бионических протезов
- Эволюция
- Стоимость
- Видео
Как устроены бионические протезы?
Бионическим считается протез, который частично или полностью заменяет утраченный орган и выполняет его функции. Важно: к бионическим не относят косметические протезы, которые просто создают видимость руки или ноги. Например, рука, которая не двигается, а просто висит — это косметический протез. А если она может сгибаться и двигать пальцами — бионический.
Самые простые бионические протезы — механические: они сгибаются и разгибаются за счет оставшихся мышц. В более сложных используют датчики, которые реагируют на нервные импульсы и воспроизводят более сложные движения — даже мелкую моторику. Наконец, сейчас появились протезы, которые соединены с мозгом, и отвечают на его сигналы напрямую, минуя мышцы.
Но обо всем по порядку.
Эволюция бионических протезов
Первые протезы появились более 3 тыс. лет назад, в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы, которые защищали от мозолей при ходьбе в сандалиях.
В XVI веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, чьи пальцы сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с ее помощью он мог даже писать пером.
В XVIII—XIX веках в Викторианской Англии носили механические устройства, которые приводились в движение с помощью рычагов и гибких тросов. Протезы становились более функциональными — у них больше подвижных суставов — и эстетичными: их форма все больше похожа на настоящие конечности. Некоторые даже украшали чеканкой или гравировкой.
В XX веке протезы делают тяговыми: чтобы согнуть или разогнуть конечность, нужно потянуть за рычаг. На смену дереву и железу приходят облегченные металлы и пластик. В итоге протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной частью тела и здоровой. Пластиковые модели еще и выглядели максимально реалистично, помогая обладателю справляться со стеснением при ношении протеза.
Наконец, в 1958 году впервые прозвучал термин «бионический»: его придумал военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году в СССР разработали первую микроэлектрическую руку.
Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кейдин выпустил в 1972 году книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».
Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.
В 2007-м канадская Touch Bionics представила i-limb — первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, обладала тонкими пальцами и открывала больше возможностей для мелкой моторики: от работы с мышкой до завязывания шнурков. Протез крепится на гильзе, легко закручивается и откручивается.
В 2010-м компания BeBionic представила на Международном конгрессе по протезированию и ортопедии в Лейпциге первый серийный протез. А первый широко доступный — Symbionic Leg — выпустила в 2011-м исландская Össur. В 2013 году она дополнила модель микропроцессорным управлением: теперь протез подстраивался под походку своего владельца.
Основанная в 1971 году, Össur стала одним из лидеров рынка, скупив с 2000 года 16 крупнейших производителей и стартапов. В 2019-м ее капитализация составила более $450 млн.
Следующим этапом стали протезы, управляемые при помощи мозга. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) испытала такой во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механических рук.
В 2018 году появились первые протезы для глаза — Argus II. Он помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.
Современные протезы используют разработки робототехники, умеют имитировать индивидуальные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходный этап: они не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физподготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.
Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)
По данным исследовательской компании Grand View Research, объём мирового рынка роботизированных протезов в 2016 году составлял $790,8 млн. Прогноз на 2025-й — до $1,75 млрд. Рынок растет вслед за развитием технологий, а также — количеством ампутаций и их спонсированием за счет НКО.
По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, средняя цена современных усовершенствованных протезов варьируется от $5 тыс. до $50 тыс.
Протез Bebionic стоит более $10 тыс., i-limb — от $60 тыс. до $120 тыс., бионический глаз Argus II — около $150 тыс.
В России бионическая рука обойдется от 100 тыс. до 1,5 млн руб.
Пока протезы так и не стали массовыми, а их разработки обходятся достаточно дорого, объединяя инженеров, биологов, медиков. При этом создаются протезы каждый раз индивидуально: гильза, к которой крепится бионическая рука или нога должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.
В большинстве случаев протезы оплачивает страховая компания или государство — как в России. Но для этого нужно пройти много инстанций и медкомиссию, и выбор моделей будет очень узким.
Возможно, ситуацию сможет исправить 3D-печать: с ее помощью создают недорогие протезы, с учетом всех индивидуальных особенностей, и украшать на свой вкус. Кроме того, они еще и очень легкие. Такой протез стоит до $10 тыс.
Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей
В последние годы бионические протезы выполняют не только свою основную функцию — они стали чем-то большим: образом жизни, увлечением и даже модным аксессуаром.
Ученые создали искусственную кожу человека
Специалисты Стэндфордского университета первыми создали искусственную пластиковую кожу. Такая кожа способна определять не только силу касания, но и другие механические и физически воздействия на неё. Посредством электрического сигнала, вырабатывающегося нижним слоем «кожи», информация поступает в клетки мозга.
Над этим изобретением работали около двадцати специалистов, которыми руководила женщина – Дзенань Бао. Подобные исследования длились более десяти лет, и вот, наконец, учёными был достигнут положительный результат.
В итоге создан искусственный материал, сильно напоминающий человеческую кожу как по пластичности, так и по способности к заживлению ран. Не обошлось и без применения последних достижений в области электроники: множественные датчики, которые обрабатывают электронный сигнал и посылают его к мозгу. Теперь, новая технология должна найти применение в такой важной области медицины, как протезирование.
По словам руководителя проекта – Дзенань Бао, впервые учёным удалось создать такой материал, который способен распознавать нажатие, а затем и передавать импульс нервной системе живого организма.
Как было сказано раньше, изобретение состоит из двух слоёв. Верхний – это чувствительный механизм, в состав которого входит множество датчиков, сродни тем, что есть в коже человека. Это способствует распознаванию непринуждённого касания одного пальца от крепкого мужского рукопожатия. Нижний слой механические сигналы преобразует в электрические, а затем в биохимические стимулы, которые передаются нервным окончаниям.
Не обошлось и без применения нанотрубок, при надавливании на которые происходит сжатие. Вследствие чего, они сжимаются друг к дружке, а это способствует большей проводимости электрического тока. Также в этом проекте были задействованы работы не последнего человека в области оптогенетики – Карла Дейсерота. Его интерфейс для взаимодействия электроники с нейронами оказался кстати.
Тактильные ощущения
Робототехника развивается немыслимыми темпами. Уже сегодня японские модели могут не только работать на производстве, но и быть похожими на человека. Роботы-гуманоиды на данный момент не имеют конкретного практического применения, но ожидается, что их человекоподобный облик станет более эстетически приемлемым для нас, чем постоянное соседство с безликими машинами. Например, их можно будет использовать в таких сферах, как информационное обслуживание на контактных стойках, продажи в продуктовых магазинах, ведение домашнего хозяйства и так далее.
Дальнейшие шаги по разработке максимально приближенного к человеку робота должны быть сосредоточены не на косметических эффектах, а на наделении машины человеческими чувствами. Сегодня ученые активно занимаются разработкой искусственной электронной кожи, которая позволит роботу иметь собственные тактильные ощущения. Практическое применение этих технологий может быть найдено в осуществлении прямых контактов человека и робота. Например, сложно доверить машине массаж или заботу о ребенке. А при наличии тактильных ощущений робот сможет контролировать силу нажатия пальцами на тело человека и более гибко реагировать на дополнительные задачи.
Полиимин
Так, исследователи из университета Колорадо в Боулдере (США) разработали новый тип самовосстанавливающейся гибкой кожи, которая может быть полностью переработана после окончания использования. Встроенные в электронную кожу датчики позволяют измерять давление, температуру и воздушный поток.
Обеспокоенные загрязнением окружающей среды, ученые положили в основу своей разработки материал полиимин, созданный из трех недорогих соединений и этанола. Для усиления характеристик прочности и сопротивляемости в состав были также включены наночастицы серебра. Первой особенностью электронной кожи является то, что после повреждения какой-либо её части, она не становится бесполезным мусором, а может быть восстановлена. Для этого достаточно нанести полиимин на поврежденный участок, нагреть и подождать 10 минут. Разорванные химические связи должны восстановиться.
Если же нет, то на помощь приходит второе уникальное свойство разработки, благодаря которому электронную кожу можно практически полностью утилизировать при использовании специального раствора.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки
Осязание — обратная связь, которую мы получаем при использовании руки. Благодаря осязанию можно манипулировать предметами не глядя: захватывать их, гладить, бить и т.д. Обратная связь необходима для аккуратного обращения с хрупкими предметами типа яиц. Осязание даёт критически важную информацию для мгновенного рефлекторного реагирования — чтобы человек сохранил в целости свои механизмы и органы.
В конце концов, благодаря осязанию мозг получает информацию о некоторых свойствах объектов — такие свойства нельзя узнать иначе. Например, мягкость/твёрдость, упругость, липкость и т.д. С помощью этих данных в мозге происходит вычисление других свойств объекта, что позволяет надёжно предсказать будущее, то есть предсказать результат взаимодействия с объектом.
Важность осязания бесспорна. В этой связи очень удручает, что конструкторы биопротезов до сих пор не нашли надёжного способа передавать в мозг человека информацию с сенсоров механических рук.
До сих пор ни один коммерчески доступный протез рук и ног не комплектуется сенсорами осязания, потому что эту информацию всё равно невозможно передать человеку в реальном времени, то бишь естественным путём: через нервные окончания в мозг.
Помните, как Люк Скайуокер почувствовал боль, когда игла уколола его в только что установленную бионическую руку? Конечно, хотелось бы сделать такую технологию доступной не только для ситхов, но и для обычных людей.
Инженеры давно пытаются решить проблему. Очевидно, что требуется взаимодействие с центральной нервной системой человека, протокол которой пока не расшифрован до конца. Приходится искать обходные пути, чтобы совместить живые нейронные структуры и механические конструкции. Сейчас этим занимается прикладная наука нейроинженерия. Группа нейроинженеров из Питтсбургского университета (США) нашла возможное решение для передачи тактильных импульсов от механической руки.
Инженеры попытались заменить естественное осязание искусственными импульсами в надежде, что мозг сам настроится на новый сигнал. В коре головного мозга монтируются электроды, которые стимулируют отдельные участки в соответствии с показаниями сенсоров на механической руке. У человека возникает чувство, что он как будто что-то трогает.
Этот феномен описан в нескольких научных работах. Похоже, впервые он был замечен в 1997 году и описан в научной работе в журнале Nature. Тогда учёные обратили внимание, что стимуляция отдельных участков коры головного мозга заставляет животных реагировать так, словно их конечности двигаются. Но что конкретно чувствуют животные при стимуляции мозга — осталось неизвестным. В последующие годы такие опыты проводились на людях: испытуемые подтвердили, что ощущают некие чувства в конечностях.
В Питтсбургском университете провели длительный шестимесячный эксперимент на 28-летнем пациенте Нейтане Коуплэнде (Nathan Copeland) с давним повреждением спинного мозга. Парень в 2004 году попал в ДТП и сломал шею.
В мозг Нейтана внедрили два нейроимплантата с решёткой из 60 электродов размером 2,4×4 мм. Провод из мозга выходит наружу головы и подключается к внешнему металлическому модулю, который служит для связи.
Самым сложным было найти подходящее место на коре головного мозга для внедрения имплантатов. Учёные долго изучали составляли функциональную карту мозга, пытаясь точно определить участок коры, в котором происходит обработка тактильных сигналов. Для этого пациента, который 10 лет ничего не трогал руками, заставляли активно думать о том, как он трогает и щупает разными пальцами. В это же время снимались показания магнитно-резонансной томографии.
В конце концов, учёным удалось-таки составить примерную карту участков соматосенсорной области коры, связанных с обработкой информацией с каждого из трёх пальцев руки (большой, указательный, мизинец) и с ладони.
Импланты вставили аккуратно рядом с соответствующими нейронами, а пациента подключили к системе микростимуляции, подавая слабые импульсы на электроды и отслеживая реакцию. Тот сообщил, что чувствует различные сочетания вибраций, прикосновений, давления и покалываний как будто в суставах и под кожей руки. Что интересно, карта ощущений практически не изменилась за шесть месяцев.
Для главного научного эксперимента модуль связи имплантата подключили к механическому протезу — и записывали ощущения, которые возникают у пациента при различных действиях механической руки. Выяснилось, что нажатие на пальцы он правильно распознаёт в 84% случаев, а по мере тренировки — в 100% случаев.
Учёный нажимает на палец руки, когда у пациента завязаны глаза
Тактильный интерфейс для искусственной конечности пытались создать и раньше. Например, в рамках программы DARPA HAPTIX идёт разработка нейроинтерфейса для передачи тактильных сигналов от протеза в нервную систему. На рентгеновском снимке внизу видны электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру. В идеале, сенсорные сигналы от протеза поступают через тактильный интерфейс в периферийную нервную систему, оттуда — в спинной мозг.
Электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру
Учёным проекта HAPTIX удалось добиться неплохого результата в создании тактильного интерфейса. Но он никак не может помочь людям, страдающим от повреждений спинного мозга. А вот разработка нейронженеров из Питтсбургского университета — может помочь.
Ценность нового метода в том, что информация в мозг передаётся напрямую от руки, в обход спинного мозга, хоть по беспроводному каналу. Это даёт надежду огромному количеству людей, которые живут с повреждениями спинного мозга. Только в США таких от 243 000 до 347 000 человек, по оценке Национального статистического центра по травмам спинного мозга. Если аппроксимировать, то во всём мире их должно быть несколько миллионов. В зависимости от степени повреждения нервных путей, эффекты различаются по силе: от частичной потери ощущений в пальцах до полной потери способности контролировать целую конечность.
Именно людям с повреждениями спинного мозга лучше всего подходит имплантация приёмника сигналов в мозг. Жаль только, что у каждого человека карта мозга имеет свои особенности, так что перед имплантацией придётся осуществлять индивидуальное картирование соматосенсорной области коры, то есть несколько сеансов МРТ.
Мозговой тактильный имплантат ещё нуждается в доработке. Он и близко не сравнится с живой рукой, а вместо некоторых тактильных ощущений пациент чувствует покалывание. Учёным так и не удалось симулировать осязание с отдельных частей руки, например, с кончиков пальцев. Возможно, необходимо более точное позиционирование электродов в соматосенсорной коре головного мозга. Может быть, количество электродов следует увеличить.
Контролируемый мыслью протез руки восстанавливающий 100 реалистичных тактильных ощущений. (Перевод)
Кевин Уолгамот держит и чувствует руку жены снова с помощью экспериментальной роботизированной руки. Фотография: Джейкоб Джордж и соавтор, Доктор лаборатории Грег Кларк, Университет Юты.
Когда Кевин Уолгамот потянулся, взял жену за руку, и его лицо расплылось в огромной улыбке. Впервые за 14 лет он мог чувствовать ее мягкие пальцы, плотно прижатые к ладони протеза.
Дэвид тестирует новый интерфейс, который легко сочетает движение и ощущения. В чем цель? В том, чтобы заменить чувство «чужеродности» роботизированного протеза чем-то интуитивным и естественным как часть себя.
Вживленный непосредственно в оставшиеся нервы утраченного предплечья Кевина интерфейс переводит мысли в электрические сигналы, которые приводят ловкую роботизированную руку в движение.
Но это еще не все: он также принимает информацию от датчиков на роботизированной руке и отправляет ее обратно в мозг через два имплантированных высокоплотных, электрических массива. В мозге электрические импульсы преобразуются в чувство давления, вибрации и движения — ощущения, которые приходят словно из собственной недостающей конечности.
Именно этот замкнутый контур от мысли к движению и затем к сенсорной обратной связи делает устройство особенным.
«Люди часто думают об осязании как об одиночном чувстве, на самом деле же оно включает в себя и другие органы чувств, такие как давление, вибрация, температура, боль и т.д. Высокое разрешение нашего устройства позволяет активировать эти подклассы контакта в изоляции (т.е. давление без вибрации и боли) в определенной части руки.» — говорит Джейкоб Джордж, который помог разработать интерфейс в университете штата Юта.
В отличие от предыдущих поколений интерфейсов, которые передают только около 20 ощущений — например, участники могут чувствовать только давление, новая система восстанавливает 100 уникальных ощущений с тонкими различиями.
И это радикально отличает интерфейс.
Джордж объясняет: «Наши участники контролировали протезы с помощью мысли до этого. Они также чувствовали ощущения от их пропавшей руки раньше. Но объединить оба подхода, добавить обратную связь — это совершенно другой опыт. Внезапно рука снова становится живой.»
Проблемы Протезирования
Исследователи из Университета штата Юта разрабатывают экспериментальную роботизированную руку, которая управляется при помощи считывания нервных импульсов.
Кевин — один из 1,6 миллиона людей в США, которые перенесли ампутацию.
«Потеряв конечность, ты не только теряешь физически часть себя, ты также теряешь часть духовной составляющей,» — говорит Джордж.
Появляются депрессия и тревога. Некоторые пациенты даже испытывают фантомные боли, ощущение жжения, казалось бы, исходящие от их ампутированной конечности, и не реагируют на обычные обезболивающие.
«Наши участники описали потерю руки как потерю члена семьи, которую приходится переживать каждый день,» — сказал Джордж.
Именно этого «эмоционального зверя» чрезвычайно трудно приручить. Одной из причин является то, что современные протезы просто не ощущаются правильно. Ученые уже добились успехов в создании гибких протезов, которые восстанавливают некоторые нормальные функции. Эти устройства обычно определяют электрические сигналы, поступающие от мышц выше места ампутации с использованием поверхностных электродов — неинвазивный подход, но он менее избирательно воздействует на отдельные нервные волокна.
«Образно говоря, это так же, как трудно вести частный разговор с кем-то внутри футбольного стадиона, если вы кричите снаружи», — сказал Джордж.
Более поздние протезы подключены непосредственно к источнику: моторной коре головного мозга пациента или его оставшимся нервам в культе. Эти нервы передают намерение мозга перейти к ампутированной конечности, эти сигналы могут быть декодированы для перемещения протеза руки.
По сравнению с мозгом нервы рук являются гораздо более безопасными для имплантации. Их сигналы также легче понять — один нейрон подает сигнал, одна мышца дергается. Вместо того, чтобы пытаться определить сигнал среди какофонии коры головного мозга, имеет гораздо больше смысла воздействовать ниже по течению сигнала.
Тем не менее, несмотря на потрясающую технологию, которая позволяет пациентам контролировать роботизированную руку с помощью мысли, у этих устройств по-прежнему есть проблемы.
Без сенсорной обратной связи, которую мы обычно получаем, пациенты не могут точно настроить хват. Вместо того, чтобы щипать виноград, они в конечном итоге превращают его в кашу. Это не интуитивно и разочаровывающе.
«В результате почти 50 процентов пациентов отказываются от протезов. Мы хотим восстановить полноценный опыт использования руки,» — говорит Джордж.
Роборука позволяет Кевину вновь почувствовать объекты, он смог брать виноград не сминая ягоды. (Университет штата Юта)
Решение Юты
Исследователи из Университета штата Юта разработали технологию, которая позволяет пользователям чувствовать предметы с помощью роботизированной руки. В одном эксперименте они были в состоянии отличить отличить мягкую губку от жесткого пластика.
Работа новой системы заключается в двух частях: во-первых, она подхватывает сигналы из мозга через два микроэлектронных массива на долю размером с копейку, которые имплантируются в остаточные нервы пациента, возбуждающие руку. В то же время другая часть электродов подхватывает сигналы от остаточных мышц.
«После имплантации, мы должны создать карту того, какие ощущения возможны, и это индивидуально для каждого пациента», — говорит Джордж.
Мы тщательно стимулировали каждый из электродов массива, в общей сложности их было 192, и просили Кевина сообщить, где он чувствовал ощущения и как это было.
Например, электрод 64 был связан с ощущением давления на кончик пальца. Команда активирует датчик давления на большой палец протеза, так что он ведет себя как биологическая рука.
Как только мы завершаем картографирование, весь процесс перевода происходит автоматически. Кевин может интуитивно двигать протезную руку, как будто управляя собственной рукой.
Когда протез совершает контакт, команда стимулирует соответствующий электрод, чтобы обеспечить обратную связь с пациентом. Для кончика пальца, это электрод 64. Чем сильнее давление, тем сильнее сигнал. В сущности, массивы электродов по существу заменяют потерянные нервные окончания, которые обычно возбуждают руку.
Таким образом, когда большой палец протеза прикасается к винограду, Кевин чувствует касание.
Функциональные улучшения были огромны. В одном тесте, где Кевина попросили двигаться вокруг «механического яйца», которое чувствует давление, он добился успеха, не нарушая границу, и показал результат на 21% лучше, когда сенсорная обратная связь была включена.
Целый Я
Но возможно, самое большое преимущество — это эмоциональность.
В одном видео бывшего участника попросили прикоснуться к виртуальной двери с помощью компьютерного протеза. Симуляция была мультяшной и грубой, но для пациента это не имело значения.
Протянув руку к двери, он громко вздохнул: «О боже мой. Я чувствую дверь!» — и воскликнул, задыхаясь: «Боже! Это так круто!»
«Дело не в том, что участник почувствовал прикосновение своей отсутствующей рукой, дело в том, что он почувствовал дверь впервые за 24 года взаимодействия со внешней средой», — объясняет Джордж.
Это ощущение и есть воплощение того, что раньше отсутствовало в протезировании.
Опыт Кевина был не менее коварен. После тренировки с напечатанным на 3d принтере протезом руки, его спросили, что он хотел бы сделать?
«Я хочу сжать руки вместе,» — сказал он, складывая оставшуюся руку в рыхлый кулак, осторожно, неоднократно прижимая к протезу, словно массируя костяшки после долгого дня.
«Изначально протез был просто инструментом, чтобы помочь ему с деятельностью в повседневной жизни, но теперь, это то, что ведет себя как его собственная рука.
Речь идет не только об улучшенной ловкости или улучшенной чувствительости, но и о том, чтобы снова почувствовать себя единым», — Джордж.
Команда сейчас увлеченно работает над беспроводной домашней версией своей системы для пациентов, чтобы использовать ее в обычной жизни. Без проводов у вас должно быть меньше шансов заражения и поломки. Ожидается также, что эти выгоды будут усиливаться с увеличением практики и дальнейшим использованием.
Уже протестировав текущий интерфейс с семью пациентами, команда чувствует себя уверенно. Они говорят, что сделают беспроводную версию, готовую для тестирования человеком примерно через год.
«В конечном счете, как сказал один из наших пациентов, это будет выглядеть точно так же, как рука Люка Скайуокера, тогда каждый захочет такой протез», — заключает Джордж с широкой ухмылкой.
Рука «Люк», роботизированный протез, созданный компанией DEKA и названный в честь Люка Скайуокера, героя фильма «Звездные войны», носившего протез.
Данная статья была опубликована на сайте «Geektimes», 27.12.2017
С 2035 года в Калифорнии перестанут продавать новые автомобили на бензине
Губернатор Калифорнии Гэвин Ньюсом подписал распоряжение, в соответствии с которым к 2035 году в штате перестанут продавать авто с бензиновым двигателем. Первый в истории страны документ о запрете машин на бензине предусматривает также разработку проекта по продажам большего числа электромобилей. По мнению Ньюсома, «это самый эффективный шаг, который государство может предпринять для борьбы с изменением климата».
В четырёх штатах США — Калифорнии, Орегоне, Айдахо и Вашингтоне — продолжаются лесные пожары, которые начались ещё в августе. Площадь пожаров, по оценке Национального межведомственого пожарного центра (NIFC) страны, достигла 1,5 млн га. Как считают эксперты, в этом году основной причиной пожаров стал не человеческий фактор, а изменение климата: на западном побережье США впервые в истории температура воздуха достигла 50°С в сентябре, а в Долине Смерти в Калифорнии — 54°С. Высокая температура в сочетании с влажным воздухом вызвала «сухие грозы», которые не сопровождаются дождём. Грозовые молнии стали причиной большинства пожаров на западе США, причём пять пожаров вошли в двадцатку крупнейших в истории Калифорнии.
Как заявил Ньюсом, это «чрезвычайная ситуация». Чтобы затормозить приводящее к подобным последствиям изменений климата, необходимо снизить объёмы выбросов парниковых газов, считает он.
В Калифорнии около 40% выбросов парниковых газов приходится на транспорт. В соответствии с приказом Ньюсома, Совет по воздушным ресурсам Калифорнии (CARB) должен разработать правила, способствующие распространению новых автомобилей с нулевым уровнем выбросов. Конечная цель — 100% продаж таких машин внутри штата к 2035 году. Документ также требует, чтобы грузовики с нулевым уровнем выбросов к 2045 году распространились «везде, где это возможно». Жители штата сохранят за собой право владеть автомобилями на бензине, однако купить новую машину они не смогут.
Калифорния уже сегодня входит в число штатов, где электромобили и гибриды пользуются большой популярностью. На Калифорнию приходится более половины электромобилей, проданных в США. Всего на сегодняшний день калифорнийцы приобрели более 726 тыс. электрических или гибридных автомобилей. В 2018 году власти штата подписали распоряжение о необходимости довести продажи электромобилей до 5 млн штук к 2030 году. Хотя этот план выполняется медленно — электромобили и гибриды составили всего 7,9% от машин, проданных в штате в 2019 году — эта цифра, в соответствии с новым планом Ньюсома, должна вырасти более чем в 12 раз за 15 лет.
Среди препятствий для повсеместного распространения электромобилей эксперты выделяют такие факторы, как отсутствие инфраструктуры для зарядки, неуверенность водителей относительно того, как далеко может проехать автомобиль, и отсутствие осведомлённости о тонкостях работы электромобилей. Согласно данным Kelley Blue Book, в июле средняя цена электромобиля составила $46,1 тыс., что на 20% больше, чем в средняя цена в $38,4 за авто на бензине.
Стоимость электромобилей смогут снизить достижения в области аккумуляторных технологий от таких компаний, как Tesla. Кроме того, у CARB есть несколько программ по стимулированию продаж и покупок электромобилей и по строительству инфраструктуры, например, зарядных станций. Среди них — госпрограмма по распространению машин с нулевым уровнем выбросов, учрежденная в 1990 году, которую поддерживают ещё 14 штатов. В рамках этой программы автопроизводители обязуются постепенно увеличивать количество автомобилей с нулевым уровнем выбросов в своём парке.
Ожидается, что приказ Ньюсома поможет сократить выбросы в штате на 35%. Это первая подобная инициатива властей США, однако не первый такой шаг в мире. В Великобритании запрет на продажу автомобиле с бензиновым двигателем также будет действовать с 2035 года. В Норвегии автомобили на бензине запретят с 2025 года. Уже сегодня более половины проданных автомобилей в этой стране работают на электричестве.
Что касается приказа Ньюсома, то документ, помимо введения запрета на продажу авто с бензиновым двигателем, предусматривает меры по развитию экологически чистых грузовых перевозок и транзита. Помимо этого документ требует более эффективной поддержки инфраструктуры для велосипедистов, пешеходов и скутеров. Он также даёт указание ускорить переход от добычи нефти на более экологичные ресурсы.
