Это мнение Майкла Гольдфарба, профессора машиностроения Х. Форт Флауэрс, и его коллег из Центра интеллектуальной мехатроники Университета Вандербильта, выраженное в перспективной статье в выпуске журнала Science Translational Medicine от 6 ноября.В течение последнего десятилетия команда Гольдфарба проводила новаторские исследования в области протезирования нижних конечностей.
Он разработал первый роботизированный протез с приводом как для коленного, так и для голеностопного сустава. И эта конструкция стала первой искусственной ногой, управляемой мыслью, когда исследователи из Реабилитационного института Чикаго создали для нее нейронный интерфейс.В статье Гольдфарб и аспиранты Брайан Лоусон и Аманда Шульц описывают технологические достижения, которые сделали роботизированные протезы жизнеспособными.
К ним относятся литий-ионные батареи, способные накапливать больше электричества, мощные бесщеточные электродвигатели с редкоземельными магнитами, миниатюрные датчики, встроенные в полупроводниковые микросхемы, особенно акселерометры и гироскопы, а также компьютерные микросхемы с низким энергопотреблением.Размер и вес этих компонентов достаточно малы, чтобы их можно было объединить в упаковку, сравнимую с упаковкой биологической ноги, и они могут дублировать все ее основные функции. Электродвигатели играют роль мышц. Батареи хранят достаточно энергии, поэтому ноги робота могут работать целый день без подзарядки.
Датчики выполняют функцию нервов в периферической нервной системе, предоставляя важную информацию, такую как угол между бедром и голенью, сила, действующая на подошву стопы и т. Д. Микропроцессор обеспечивает функцию координации, обычно обеспечиваемую центральная нервная система. А в самых продвинутых системах нейронный интерфейс улучшает интеграцию с мозгом.В отличие от пассивных искусственных ног, ноги робота могут двигаться независимо и не синхронизироваться с движениями пользователей.
Таким образом, по словам авторов, разработка системы, которая объединяет движение протеза с движением пользователя, «существенно важнее для роботизированной ноги».Эта система управления должна не только координировать действия протеза в рамках какого-либо действия, такого как ходьба, но также должна распознавать намерение пользователя перейти от одного действия к другому, например, от ходьбы до подъема по лестнице.Выявление намерений пользователя требует некоторой связи с центральной нервной системой. В настоящее время существует несколько различных подходов к установлению этой связи, которые сильно различаются по инвазивности.
В наименее инвазивном методе используются физические датчики, которые распознают намерения пользователя по языку его тела. Другой метод — интерфейс электромиографии — использует электроды, имплантированные в мышцы ног пользователя. Наиболее инвазивные методы включают имплантацию электродов непосредственно в периферические нервы пациента или непосредственно в его или ее мозг. Жюри еще не решено, какой из этих подходов окажется лучшим. «Подходы, которые влекут за собой большую степень инвазивности, очевидно, должны оправдывать инвазивность существенным функциональным преимуществом…», — говорится в статье.
Авторы указывают на ряд потенциальных преимуществ бионических ног.Исследования показали, что пользователи, оснащенные протезами нижних конечностей с усиленными коленными и пяточными суставами, естественно, ходят быстрее с меньшим усилием на бедро, затрачивая меньше энергии, чем при использовании пассивных протезов.
Кроме того, у людей с ампутированными конечностями, использующих обычные протезы ног, наблюдаются падения, которые чаще приводят к госпитализации, чем пожилые люди, живущие в специализированных учреждениях. На самом деле этот показатель наиболее высок среди молодых людей с ампутированными конечностями, по-видимому, потому, что они с меньшей вероятностью ограничивают свою деятельность и местность. Есть несколько причин, по которым роботизированный протез должен снижать частоту падений: пользователям не нужно компенсировать недостатки в его движении, как они это делают для пассивных ног, потому что он движется как естественная нога.
Как при ходьбе, так и стоя, он лучше компенсирует неровную поверхность. Активные реакции могут быть запрограммированы в роботизированную ногу, которая помогает пользователям восстанавливаться после спотыкания.
Однако, прежде чем люди в США смогут начать осознавать эти преимущества, новые устройства должны быть одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA).Односоставные устройства в настоящее время считаются медицинскими изделиями класса I, поэтому они подлежат минимальному нормативному контролю. В настоящее время трансфеморальные протезы обычно изготавливают путем объединения двух односуставных протезов. В результате они также считаются устройствами Класса I.
В роботизированных ногах коленные и голеностопные суставы связаны электроникой. Согласно FDA, они производят многосуставные устройства, которые относятся к медицинским устройствам класса II. Это означает, что они должны соответствовать ряду дополнительных нормативных требований, включая разработку стандартов эффективности, послепродажное наблюдение, создание реестров пациентов и особые требования к маркировке.Еще одна проблема трансляции, которую необходимо решить, прежде чем роботизированные протезы станут жизнеспособными продуктами, — это необходимость дополнительного обучения клиницистов, назначающих протезы.
Авторы указывают, что поскольку новые устройства значительно сложнее стандартных протезов, клиницистам потребуется дополнительное обучение робототехнике.В дополнение к ноге робототехники Центр интеллектуальной мехатроники Гольдфарба разработал усовершенствованный экзоскелет, который позволяет людям с параличом нижних конечностей вставать и ходить, что привело к тому, что журнал Popular Mechanics назвал его одним из 10 новаторов, которые изменили мир в 2013 году, и роботизированный робот. рука с ловкостью, приближающейся к человеческой руке.