Создана технология управления экзоскелетом силой мысли
Исследователи из Корейского института и Берлинского технологического университета сумели разработать асинхронную систему управления экзоскелетом нижних конечностей силой мысли. Результаты их работы опубликованы в Journal of Neural Engineering. Созданное ими оборудование позволяет человеку управлять пятью простыми движениями экзоскелета: вперед, влево, вправо, сесть и встать. При этом задержки в системе управления пока составляют 3,28 +/- 1,82 секунды в зависимости от выполняемого действия.
Оборудование состоит из интерфейса «мозг-машина», крестовины с пятью светодиодами и электроэнцефалографа. Каждый из светодиодов на крестовине мигает с заданной частотой, которая для движения прямо, например, составляет девять герц, а для поворота направо — 15 герц. При концентрации внимания на одном из светодиодов в коре головного мозга возникают биологические потенциалы. Электроэнцефалограф снимает устоявшиеся зрительные вызванные потенциалы и передает сигнал на интерфейс «мозг-машина».
В интерфейсе уже происходит распознавание сигнала и передача команд управления экзоскелету. В зависимости от частоты мигания светодиода меняются и показания электроэнцефалографа. При этом именно благодаря малой частоте мигания светодиодов и чтению устоявшегося зрительного вызванного потенциала достигается высокий процент верного распознавания сигнала. Этот процент составляет 91,3 +/- 5.73. Испытания системы управления экзоскелетом проводились на полностью здоровом человеке.
По данным исследователей, наибольшую сложность представляет выделение и распознавание конкретного сигнала в сложной системе. В частности, при активации экзоскелета в сетях обмена данными возникают паразитные шумы, в которых сигнал с электроэнцефалографа может затеряться. Отчасти отсеять паразитные шумы можно уменьшением частоты мигания светодиодов. При этом увеличивается время реакции системы и утомляемость оператора экзоскелета. Повышение частоты увеличивает точность управления, но приводит к потере сигнала в шуме.
В ближайшее время исследователи намерены доработать интерфейс «мозг-машина», в частности, улучшив соединения на подвижных стыках. Кроме того, планируется доработать и алгоритм распознавания сигнала, который может искажаться, например, при кратковременном отводе глаз от светодиода. В перспективе испытания планируется проводить на людях, страдающих от бокового амиотрофического склероза, или пациентах с повреждениями спинного мозга, не способных двигать нижними конечностями.
Он оказался точнее и эффективнее предыдущих версий
Американские ученые разработали тонкопленочный охладитель, с помощью которого люди с протезами руки могут чувствовать температуру предметов. С помощью полупроводников и сверхрешеток он охлаждается в участках культи, которые воспринимают механические и термические ощущения, что вызывает соответствующие ощущения в фантомной руке. По сравнению с предыдущими термоэлектрическими устройствами эта разработка меньше весит и точнее передает информацию о температуре. Разработка описана в статье журнала Nature Biomedical Engineering. Ученые и биоинженеры разрабатывают все больше интерфейсов, которые позволяют с помощью стимуляции нервов в культе передавать ощущения при использовании протезов, включая давление, вибрацию и боль. Однако пока нет заметных успехов в разработке устройств для ощущения температуры в протезе — все существующие разработки неудобны для повседневного использования из-за большого веса и неэффективного энергопотребления. Генерация реалистичных и информативных тепловых сигналов в протезах позволила бы получать мультимодальную сенсорную информации об окружающей среде в режиме реального времени. Например, определять, температуру напитка, реагировать на горячие предметы или ощущать тепло личного прикосновения. Люк Осборн (Luke Osborn) с коллегами из Университета Джонса Хопкинса выдвинули гипотезу, что технологию тонкопленочного термоэлектрического охлаждения (TFTEC) можно использовать для передачи сигнала с протеза на конкретные рецепторные участки на культе, чтобы создавать полноценное ощущение температуры в фантомной руке. Для этого они разработали неинвазивный термоневральный интерфейс — между термическими стимулами и кожными рецепторами — с использованием устройства TFTEC. В этом устройстве использовались монокристаллические материалы и иерархические сверхрешетки, что придает ему высокую рабочую мощность, плотность охлаждения и, как следствие, быструю и энергоэффективную стимуляцию. Устройство толщиной 1,2 миллиметра и массой 0,05 грамма способно снижать температуру на 10-20 градусов Цельсия за три секунды и удерживать этот температурный градиент в течение длительного времени. В лабораторных условиях эти показатели были значительно лучше, чем у предыдущих, объемных, версий термоэлектрических интерфейсов. Поскольку после ампутации нервы культи могут «иннервировать» фантомную конечность, ученые определили у четырех человек с ампутированной рукой участки культи, которые при механической или термической стимуляции вызывали ощущения прикосновения и температуры в фантомной руке. Устройство TFTEC поместили на кожу четырех участников с ампутацией, чтобы восстановить ощущение температуры в фантомной руке. Все участники ощущали охлаждение c экспериментальным устройством, с контрольным термоэлектрическим устройством эффект почувствовали только два участника. Кроме того, участники быстрее и интенсивнее воспринимали холодовые ощущения на культе и в фантомной руке по сравнению со стандартным объемным устройством. Аналогичные результаты показал эксперимент со здоровыми добровольцами, которые касались устройства указательным пальцем. В другом эксперименте участники управляли виртуальным модульным протезом руки, чтобы прикоснуться к виртуальным объектам и определить холодный. Во всех тестах устройство TFTEC помогало людям быстрее и точнее справиться с заданием по сравнению с классическими устройствами. Наделять протез ощущениями важно, чтобы человек без конечности мог нормально адаптироваться к нему и жизни с ним. Например, недавно мы рассказывали, что тактильная стимуляция облегчила управление протезом руки.