Prostetik kontrol-pikiran yang sangat presisi – Sains Terkini

Dalam sebuah kemajuan besar dalam prosthetics yang dikendalikan pikiran untuk diamputasi, para peneliti University of Michigan telah mengetuk sinyal laten dari saraf lengan dan memperkuat mereka untuk memungkinkan kontrol waktu-nyata, intuitif, jari-jari tangan robot.

Untuk mencapai ini, para peneliti mengembangkan cara untuk menjinakkan ujung saraf temperamental, memisahkan bundel saraf tebal menjadi serat yang lebih kecil yang memungkinkan kontrol yang lebih tepat, dan memperkuat sinyal yang datang melalui saraf tersebut. Pendekatan ini melibatkan cangkok otot kecil dan algoritma pembelajaran mesin yang dipinjam dari bidang antarmuka mesin-otak.

"Ini adalah kemajuan terbesar dalam kontrol motorik bagi orang-orang dengan amputasi dalam beberapa tahun terakhir," kata Paul Cederna, yang adalah Profesor Kolegial Bedah Plastik Universitas One-M di Fakultas Kedokteran U-M, serta seorang profesor teknik biomedis.

"Kami telah mengembangkan teknik untuk memberikan kontrol jari individu pada perangkat prostetik menggunakan saraf di anggota tubuh residual pasien. Dengan itu, kami telah mampu memberikan beberapa kontrol prostetik paling canggih yang telah dilihat dunia."

Cederna memimpin penelitian dengan Cindy Chestek, profesor teknik biomedis di U-M College of Engineering. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan 4 Maret di Science Translational Medicine, mereka menggambarkan hasil dengan empat peserta penelitian menggunakan lengan Mobius Bionics LUKE.

Kontrol prostetik intuitif bekerja pada percobaan pertama

"Anda dapat membuat tangan palsu melakukan banyak hal, tetapi itu tidak berarti bahwa orang tersebut secara intuitif mengendalikannya. Perbedaannya adalah ketika ia bekerja pada percobaan pertama hanya dengan memikirkannya, dan itulah yang ditawarkan oleh pendekatan kami, "Kata Chestek. "Ini bekerja pertama kali kami mencobanya. Tidak ada pembelajaran untuk para peserta. Semua pembelajaran terjadi dalam algoritma kami. Itu berbeda dari pendekatan lain."

Sementara peserta studi belum diizinkan untuk membawa lengan itu pulang, di lab, mereka dapat mengambil blok dengan penjepit menjepit; gerakkan ibu jari mereka dalam gerakan terus menerus, daripada harus memilih dari dua posisi; mengangkat benda berbentuk bola; dan bahkan bermain dalam versi Rock, Paper, Gunting bernama Rock, Paper, Tang.

"Sepertinya Anda memiliki tangan lagi," kata peserta studi Joe Hamilton, yang kehilangan lengannya karena kecelakaan kembang api pada tahun 2013. "Anda dapat melakukan apa saja yang dapat Anda lakukan dengan tangan asli dengan tangan itu. Ini membawa Anda kembali ke rasa normal. "

Mengubah graft otot kecil menjadi penguat sinyal saraf

Salah satu rintangan terbesar dalam prosthetics yang dikendalikan pikiran adalah memanfaatkan sinyal saraf yang kuat dan stabil untuk memberi makan anggota tubuh bionik. Beberapa kelompok penelitian – mereka yang bekerja di bidang antarmuka mesin-otak – pergi jauh-jauh ke sumber utama, otak. Ini diperlukan saat bekerja dengan orang yang lumpuh. Tapi ini invasif dan berisiko tinggi.

Bagi orang-orang dengan amputasi, saraf tepi – jaringan yang keluar dari otak dan sumsum tulang belakang – telah menarik, tetapi mereka belum mengarah ke solusi jangka panjang karena beberapa alasan: Sinyal saraf yang mereka bawa kecil. Dan pendekatan lain untuk mengambil sinyal-sinyal itu melibatkan penyelidikan yang dikuping dengan paksa. "Paku-saraf ini gelisah," seperti yang kadang-kadang disebut oleh para peneliti, mengarah ke jaringan parut, yang mengacaukan sinyal yang sudah pudar seiring waktu.

Tim U-M datang dengan cara yang lebih baik. Mereka membungkus cangkok otot kecil di sekitar ujung saraf di lengan peserta. Ini "antarmuka saraf perifer regeneratif," atau RPNIs, menawarkan jaringan saraf baru untuk diikat. Ini mencegah pertumbuhan massa saraf yang disebut neuroma yang menyebabkan nyeri tungkai hantu. Dan itu memberi saraf megafon. Cangkok otot memperkuat sinyal saraf. Dua pasien memiliki implan elektroda dalam cangkok otot mereka, dan elektroda mampu merekam sinyal saraf ini dan meneruskannya ke tangan prostetik secara real time.

"Setahu saya, kami telah melihat voltase terbesar tercatat dari saraf dibandingkan dengan semua hasil sebelumnya," kata Chestek. "Dalam pendekatan sebelumnya, Anda mungkin mendapatkan 5 microvolts atau 50 microvolts – sinyal yang sangat kecil. Kami telah melihat sinyal millivolt pertama.

"Jadi sekarang kita dapat mengakses sinyal yang terkait dengan gerakan ibu jari individu, multidegree dari gerakan ibu jari kebebasan, jari individu. Ini membuka dunia yang sama sekali baru bagi orang-orang yang pengguna prosthesis ekstremitas atas."

Dan antarmuka mereka sudah berlangsung bertahun-tahun. Yang lain terdegradasi dalam beberapa bulan karena jaringan parut.

Masa depan penelitian dan industri prosthetics

Temuan ini juga membuka kemungkinan baru untuk lapangan, kata Chestek, yang keahliannya adalah algoritma pembelajaran mesin waktu nyata untuk menerjemahkan sinyal saraf menjadi maksud gerakan.

"Apa yang kami temukan sekarang adalah sinyal saraf yang cukup baik untuk menerapkan seluruh dunia dari hal-hal yang kami pelajari dalam algoritma kontrol otak ke kontrol saraf," katanya.

Pendekatan ini menghasilkan sinyal untuk gerakan yang lebih halus daripada yang mampu dilakukan oleh tangan palsu saat ini.

"Kelompok penelitian lain juga berkontribusi dalam hal ini, tetapi kami telah melompati kemampuan tangan palsu yang saat ini tersedia. Saya pikir ini adalah motivasi yang kuat untuk pengembangan lebih lanjut dari perusahaan tangan palsu," kata Philip Vu, seorang peneliti di teknik biomedis dan penulis pertama makalah ini.

Percobaan klinis sedang berlangsung. Tim mencari peserta.

"Berkali-kali, hal-hal yang kami lakukan di laboratorium penelitian menambah pengetahuan di lapangan, tetapi Anda tidak pernah benar-benar mendapatkan kesempatan untuk melihat bagaimana hal itu berdampak pada seseorang," kata Cederna. "Ketika Anda dapat duduk dan menonton satu orang dengan perangkat palsu melakukan sesuatu yang tidak terpikirkan 10 tahun yang lalu, itu sangat memuaskan. Saya sangat senang untuk peserta kami, dan bahkan lebih bahagia untuk semua orang di masa depan bahwa ini akan Tolong."

Ditambahkan Chestek, "Ini akan menjadi cara dari sini, tapi kita tidak akan berhenti mengerjakan ini sampai kita benar-benar dapat mengembalikan gerakan tangan yang sehat. Itulah impian neuroprosthetics."

Video: https://www.youtube.com/watch?time_continue=114&v=PoKcRtDmKJw&feature=emb_logo

Makalah ini berjudul, "Antarmuka saraf perifer regeneratif memungkinkan kontrol real-time dari tangan buatan di amputasi ekstremitas atas." Penelitian ini didanai oleh DARPA dan National Institutes of Health.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.