211service.com
Robotiska lemmar som ansluts till hjärnan
De flesta av de robotarmar som nu används av vissa amputerade är av begränsad användbarhet; de har bara två till tre frihetsgrader, vilket gör att användaren kan göra en enda rörelse åt gången. Och de kontrolleras med medveten ansträngning, vilket innebär att användaren inte kan göra mycket annat när han flyttar lemmen.
Naturtrogna lemmar: En hjärnkontrollerad protesarm, under utveckling vid Applied Physics Lab vid Johns Hopkins University med finansiering från DARPA, kan tillåta amputerade att göra mycket mer sofistikerade rörelser.
En ny generation av mycket mer sofistikerade och naturtrogna protesarmar, sponsrade av Department of Defense's Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), kan vara tillgänglig inom de närmaste fem till 10 åren. Två olika prototyper som rör sig med en naturlig lems skicklighet och teoretiskt sett kan styras lika intuitivt – med elektriska signaler inspelade direkt från hjärnan – börjar nu tester på människor.
De första resultaten av en av dessa studier – de första testerna av en förlamad människa som kontrollerar en robotarm med flera frihetsgrader – kommer att presenteras på Society for Neuroscience-konferensen i november.
De nya designerna har cirka 20 grader av oberoende rörelse, ett betydande språng över befintliga proteser, och de kan manövreras via en mängd olika gränssnitt. En enhet, utvecklad av DEKA Forskning och utveckling , kan styras medvetet med hjälp av ett system av spakar i en sko.
I ett mer invasivt men också mer intuitivt tillvägagångssätt genomgår amputerade personer operation för att få de återstående nerverna från sina förlorade lemmar flyttade till bröstmusklerna. Att tänka på att flytta armen drar ihop bröstmusklerna, vilket i sin tur flyttar protesen. Men det här tillvägagångssättet fungerar bara hos dem med tillräckligt med kvarvarande nervkapacitet, och det ger en begränsad nivå av kontroll. För att dra full nytta av dessa protesers skicklighet, och få dem att fungera som en riktig arm, vill forskare kontrollera dem med hjärnsignaler.
När du plockar upp ett föremål vet din hjärna automatiskt att rotera handleden och röra fingrarna, säger Michael McLoughlin, som övervakar utvecklingen av en av proteserna på Applied Physics Laboratory (APL) vid Johns Hopkins University. Vi vill ha en fingerfärdig lem och förmågan att kontrollera den på ett naturligt sätt, samt en viss nivå av taktil feedback.
Begränsade tester av neurala implantat hos svårt förlamade patienter har pågått under de senaste fem åren. Omkring fem personer har implanterats med chips hittills, och de har kunnat styra markörer på en datorskärm, köra rullstol och till och med öppna och stänga en gripare på en mycket enkel robotarm. Mer omfattande tester på apor implanterade med ett kortikalt chip visar att djuren kan lära sig att kontrollera en relativt enkel armprotes på ett användbart sätt genom att använda den för att ta och äta en bit marshmallow.
Nästa stora steg är att fråga, hur många dimensioner kan du kontrollera? säger John Donoghue , en neuroforskare vid Brown University som utvecklar gränssnitt mellan hjärna och dator. Att sträcka ut efter vatten och föra det till munnen tar ungefär sju frihetsgrader. Hela armen har i storleksordningen 25 frihetsgrader. Donoghues grupp, som har övervakat tidigare tester av kortikala implantat hos patienter, har nu två förlamade frivilliga som testar DEKA-armen. Forskare vid APL har utvecklat en andra armprotes med en ännu större repertoar av möjliga rörelser och har ansökt om tillstånd att påbörja mänskliga tester. De siktar på att börja implantera patienter med ryggmärgsskada under 2011, i samarbete med forskare vid University of Pittsburgh och Caltech.
Frivilliga i denna studie kommer att få två olika kortikala chip, som var och en bär 100 inspelningselektroder. Forskare hoppas att en fördubbling av förmågan att lyssna på hjärnan kommer att ge tillräckligt med oberoende signaler för att möjliggöra mer komplexa rörelser på den sofistikerade APL-armen. Detta är en mycket fingerfärdig och antropomorf arm, säger Andrew Schwartz , en av neuroforskarna som är involverade i studien. Informationsbandbredden du behöver för att styra enheten är mycket högre.
Pittsburgh-forskarna kommer också att testa nya chip kombinerat med telemetrisystem, som bearbetar en del av den inspelade informationen på chipet innan de skickas till en processor som är implanterad i bröstet. Processorn styr sedan armen trådlöst. Nuvarande versioner som används hos människor och apor skickar information via ledningar som kommer ut ur skallen, vilket ökar risken för infektion på lång sikt. Medan den nya uppsättningen kommer att vara något liknande den som används i hjärtpacemakers och apparater för djup hjärnstimulering, utför en armprotes mer komplexa funktioner än en pacemaker, och därför behövs mer information för att kontrollera den. Ingen implanterbar enhet har ett telemetrisystem som klarar den här bandbredden, säger Schwartz. Denna teknik kommer att vara ett stort steg.
Pittsburgh-forskarna siktar i slutändan på att lägga till sensorisk förmåga till armarna också, lägga till material som kan känna av värme och andra egenskaper och förmedla den informationen till ett tredje chip implanterat i en del av hjärnan som bearbetar sensoriska stimuli.
Det är ännu inte klart vad den högsta nivån av komplexitet kommer att vara när det gäller att kontrollera armen. Vi hoppas kunna uppnå minst 11 frihetsgrader, säger Schwartz. Hans team har utvecklat algoritmer som kan härleda sju grader av rörelsefrihet hos apor i realtid. Hur ska vi gå upp till 20 eller 30? Vi vet inte, kanske kommer vi att behöva nya algoritmer, kanske fler elektroder, säger Schwartz.
Även om testerna är framgångsrika står forskarna inför en stor utmaning; de måste visa att det invasiva kortikala kontrollsystemet är betydligt bättre än icke-invasiva metoder. Amputerade som använder det skostyrda gränssnittet kan plocka upp lådor, köra en borr och till och med använda ätpinnar. Om du var amputerad, och du kan göra det med skor, skulle du ha en sensor insatt i hjärnan? frågar Donoghue. Det kan vara en fråga om personliga preferenser och nivån av risk och nytta varje person är villig att tolerera. Du kanske, eftersom det är mer naturligt och du kan gå och göra andra saker.