Электрическая кожа помогла почувствовать боль в протезе
Американские инженеры создали электрическую кожу, которая, при изменении оказываемого на нее давления может посылать сигнал о получении болевых ощущений в локтевые и срединные нервы, а затем — в соматосенсорную кору головного мозга. При помощи такой кожи исследователям удалось воссоздать болевой рефлекс в протезе конечности. Статья опубликована в Science Robotics.
Ноцицепторы (рецепторы боли) представляют собой свободные нервные окончания, которые располагаются, в основном, в наружном слое кожи. При стимуляции (ноцицепторы реагируют на механические, химические и тепловые стимулы) они посылают сигнал сначала в спинной мозг, а через него — в головной, через три типа нервных волокон: Aβ-, Aδ- и C-волокна. Aδ-волокна отвечают за восприятие «быстрой» боли, позволяя организму поскорее от нее избавиться: к примеру, убрать руку от горячей плиты. Механорецепторы таких волокон посылают в мозг электрический сигнал, реагируя на механическое тактильное воздействие; сила такого сигнала может быть разной: механорецепторы, поэтому, помогают отличать болезненную механическую стимуляцию (укол иголкой) от безболезненной (укол окончанием шариковой ручки).
При создании чувствительных протезов инженеры прежде всего пытаются воссоздать осязание, добиваясь достаточно впечатляющих результатов. Реже всего исследователи изучают то, как воссоздать в протезе ощущение боли. Однако, несмотря на то, что это не самое желаемое ощущение, его воссоздание очень важно: ощущение разницы между болезненным и безболезненным стимулом может защитить конструкцию протеза от повреждений.
Созданием протеза с искусственными ноцицепторами занялась группа инженеров под руководством Люка Осборна (Luke Osborn) из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса. В создании протеза им помог 29-летний мужчина с ампутированными обеими руками: с помощью кожной электромиостимуляции периферийных нервов (локтевого и срединного) в оставшейся части конечности исследователи разметили (по сообщениям самого участника) разные участки его фантомной руки. Мужчина описывал все ощущения как покалывания в тех местах, где когда-то были его пальцы. Ощущения от покалывания зависели от длины и частоты импульса: самой болезненной оказалась стимуляция с частотой от 10 до 20 герц. Активность соматосенсорной коры головного мозга (контрлатерально стимулируемой конечности) регистрировали при помощи электроэнцефалограммы, что подтверждало успешную стимуляцию нервов.
Информацию о пороговых характеристиках стимуляции при ощущении боли использовали в качестве обратного сенсорного ответа для создания электрической кожи (e-dermis), состоящей из нескольких слоев резины, ткани, проводников и пьезорезистивного материала, сопротивление которого меняется при давлении. Такая конструкция воссоздает нервные волокна настоящей кожи человека.
Искусственную кожу поместили на указательный и большой пальцы биомиолектрической искусственной кисти. При механическом воздействии на пьезорезистивную часть дермы (сенсор) к локтевым и срединным нервным окончаниям посылается сигнал, сила которого напрямую зависит от оказанного давления. При достижении давления в примерно 250 килопаскалей начинают стимулироваться ноцицепторные нервные окончания, после чего сигнал о появлении боли посылается в соматосенсорную кору, что приводит к быстрой боли и последующему болевому рефлексу.
Работу такой системы решили проверить при помощь трех типов фигурок с двойным окончанием разной остроты: в зависимости от остроты сенсор на искусственной коже сильнее деформируется, что приводит к повышению оказываемого на него давления.
При сжатии фигурки с острыми концами мужчина с протезом испытывал боль и разжимал руку за счет возникшего болевого рефлекса. Такого не происходило при сжатии фигурок с более округлыми наконечниками, из чего ученые сделали вывод, что электрическая кожа помогает распознавать болезненное и безболезненное механическое воздействие.
Следует отметить, что такая кожа пока что реагирует только на один тип болевого стимула — внешнего механического — и распознавать боль от тепловых или химических стимулов пока что не умеет. Несколько лет назад ученым все же удалось создать достаточно примитивную систему ноцицепторной стимуляции температурой в протезе руки: в ней при воздействии слишком высокой температуры рука оповещает владельца о боли с помощью удара тока.
Елизавета Ивтушок
Передвижение в них похоже на ходьбу по траволатору
Американская компания Shift Robotics представила насадки на обувь, увеличивающие скорость ходьбы. В них есть колеса, которые двигают ногу в момент, когда она соприкасается с полом, и позволяют ходить в 3,5 раза быстрее. Проект опубликован на краудфандинговой платформе Kickstarter. В последнее десятилетие активно развиваются легкий и личный электрический транспорт: электросамокаты, гироскутеры, моноколеса и тому подобное. Как правило, их используют для ежедневного передвижения по городу на небольшие расстояния или совмещают с другими типами транспорта, например, основную часть пути человек преодолевает на метро, а от дома до станции и от станции до работы едет на электросамокате. Это потенциально удобная и выгодная концепция, но перемещаться в транспорте с электросамокатом или гироскутером может быть затруднительно, особенно в часы пик. В качестве альтернативы несколько компаний разрабатывали и выпустили похожие устройства в виде сравнительно небольших насадок на обувь, передвигающих человека. Shift Robotics тоже разработала электрическую насадку на обувь, но передвижение на ней происходит по-другому. Она представляет собой платформу с несколькими небольшими колесами под ней и ремнями сверху, позволяющими прикрепить ее к обуви. Главное отличие от других подобных устройств заключается в том, что человек с ними не едет, а идет как и обычно с той лишь разницей, что в момент соприкосновения ноги с полом она не остается на месте, а едет вперед за счет электромоторов, крутящих колеса. Компания утвердает, что это позволяет увеличить скорость ходьбы в 3,5 раза. https://www.youtube.com/watch?v=8r0TPD5NUQ0 Устройство работает в двух режимах, переключаться между которыми можно с помощью жестов, наклоняя ногу в ту или иную сторону. В одном из них колеса полностью блокируются и ходьба в них отличается от обычной только дополнительным весом и высотой подошвы (этот режим нужен, например, при подъеме по лестнице). Во втором режиме колеса активны и крутятся в соответствии с тем, как быстро идет пользователь: если он не двигается, они не придают ему ускорение, а если идет — подстраивают свою скорость под его шаги. Насадки заряжаются от USB-C, на полную зарядку уходит полтора часа, после чего они могут работать в активном режиме на протяжении 10 километров. Компания опубликовала проект на Kickstarter, где на момент написания заметки он собрал около 50 тысяч долларов из запрашиваемых 90 тысяч. Стоимость пары начинается от 999 долларов. В случае успешного завершения краудфандинга первые поставки пользователям начнутся в марте 2023, правда, купить устройство смогут только жители США. Инновации происходят и в других видах личного электрического транспорта. Например, в 2019 году Segway представила электросамокат с функцией автопилота, а летом 2022 его начали тестировать в московском сервисе кикшеринга.