Протезы научили адаптировать «осязание» под движения человека

Люди, которые пользуются протезами с «осязанием» — то есть способными передавать ощущение от прикосновений через электростимуляцию кожи, испытывают неудобства из-за того, что эта обратная связь зависит не только от самого прикосновения, но и от электропроводности кожи и характеристик контактов. Американские ученые разработали алгоритм, который постоянно отслеживает контакт электродов и подстраивает уровень стимуляции таким образом, чтобы чувствительность оставалась на одном уровне, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

Для полноценной компенсации потери руки крайне важно, чтобы протез мог не просто свободно совершать сложные движения, но и давать человеку обратную связь. Уже существуют протезы, которые могут передавать ощущения через имплантируемые или накладываемые на руку электроды с помощью электрических импульсов, соответствующих прикосновениям к протезу. Протезы с присоединяемыми к коже электродами считаются более удобными, но они имеют существенный недостаток — воспринимаемая человеком обратная связь от протеза зависит от контакта между электродами и кожей, и может меняться при частичном отсоединении электрода или потении.

Группа ученых из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне под руководством Тимоти Бретла (Timothy Bretl) в 2014 году разработала модель, описывающую зависимость интенсивности электростимуляции, требуемой для поддержания стабильной чувствительности, от характеристик контакта электродов с кожей. В частности, она подразумевает, что энергия стимулирующего импульса и фазовый заряд (произведение силы тока на время импульса) линейно зависят от импеданса контакта между электродами и кожей при постоянном уровне чувствительности.

Теперь ученые экспериментально проверили модель на добровольцах, а также создали алгоритм, который позволяет поддерживать постоянный уровень воспринимаемой человеком обратной связи от протеза, меняя характеристики стимулирующих импульсов. Во время первого эксперимента на 10 добровольцах ученые меняли характеристики контакта электродов и, поскольку при этом плотность тока повышается, уровень стимуляции повышался. Добровольцы подстраивали уровень тока таким образом, чтобы ощущения соответствовали изначальным. Таким образом ученые получили зависимость между интенсивностью импульсов, уровнем контакта и чувствительностью у разных участниках исследования, и смогли подтвердить свою модель. Авторы утверждают, что их модель описывают экспериментальные данные лучше, чем модели из других исследований.

После этого исследователи создали алгоритм для автоматической подстройки уровня стимуляции под контакт между электродами и кожей, который может меняться при повседневных движениях. Ученые проверили его эффективность на двух пациентах с ампутированной ниже локтя правой рукой и протезами, передающими ощущения от прикосновения пальцами к объектам. Их попросили выполнить по три упражнения, во время которых руки постоянно двигаются: подъем по лестнице с перилами, забивание гвоздей и занятие на эллиптическом тренажере. После упражнений испытуемые рассказали, что потеряли чувствительность у электродов, не управляемых алгоритмом, и наоборот сохранили у тех, стимуляция через которые подстраивалась алгоритмом.

В 2016 году американские ученые создали протез руки и нейроинтерфейс, которые позволили полностью парализованному человеку осязать предметы. В отличие от многих протезов рук он подключается не к периферическим нервам руки, а непосредственно к области коры мозга, отвечающей за тактильную чувствительность в руке.

Григорий Копиев