Исследователи Массачусетского технологического института создали и испытали вместе с пациентами передовой бионический протез голеностопного сустава. Протез считывает сигналы о мышечных сокращениях на оставшейся части конечности и достраивает алгоритм работы недостающей части, транслируя его в сигналы для электромеханического протеза. С таким протезом пациенты могут танцевать, заявили учёные.

Источник изображения: Hugh Herr and Hyungeun Song / MIT

Операции по ампутации конечностей разрывают нервные связи и мышцы, участвующие в работе конечностей. Эти мышцы делятся на агонистов, которые отвечают за конкретные действия и антагонистов, которые совершают обратное движение. Как предположили в MIT, отсутствие (ампутация) агонистов не помешает восстановить нервный сигнал и реакцию на него протеза, если считать данные с мышц антогонистов.

С помощью специального хирургического вмешательства в процессе ампутации конечности на мышцах антагонистах создаётся интерфейс для считывания импульсов по их сокращению. Также операция должна предусматривать сохранение работы этих мышц, что, вероятно, потребует дополнительных хирургических действий по закреплению мышц со стороны ампутации. Затем эти сигналы считываются протезом голени, который заканчивается механической стопой с несколькими степенями свободы. Контроллер декодирует сигналы с мышц-антагонистов и направляет их на сервомоторы голеностопа, делая ходьбу пациента более естественной.

Нервные сигналы, приходящие в мышцы выше уровня ампутации, соответствуют намерениям человека двигать отсутствующей (фантомной) конечностью. Работа с семью пациентами показала, что во всех случаях интерфейс AMI (мионевральный интерфейс агонист-антагонист) сходу показывает свои лучшие качества, делая походку пациента более естественной и простой, а также снижает посттравматические боли в ампутированных частях конечностей. В MIT рассчитывают, что коммерческий вариант бионического протеза с интерфейсом AMI будет готов через пять лет. А пока на видео выше можно посмотреть, как пациент с механической ногой ходит по лестнице. Это просто фантастика.

Немецкая компания Festo сообщила о создании летающего робота по подобию пчелы. Подобно обычным пчёлам, робопчёл научили летать роем без столкновений друг с другом и препятствиями. В компании считают, что работа по подобным проектам принесёт много нового в робототехнику и позволит позаимствовать у природы множество рабочих решений.

Источник изображений: Festo

Основной вид деятельности компании Festo — это производство промышленного оборудования. Около 15 лет назад проектное подразделение компании занялось изучением и созданием бионических механизмов. В активе разработчиков робот-муравей, робострекоза, робот-бабочка, робопаук, летучая лисица и что-то ещё. На примере этих механизмов инженеры изучали и приспосабливали к ним особенности движения и полёта живых существ. Робопчела стала последней разработкой, в ходе которой впервые был реализован механизм полёта в рое.

Конструкцию робопчелы BionicBee в виде орнитоптера (махолёта) с двумя маховыми крыльями помогал проектировать ИИ на основе генеративных алгоритмов. За счёт этого удалось максимально облегчить конструкцию. Вес BionicBee составил 34 грамма при длине корпуса 22 см и размахе крыльев 24 см. Частота взмахов может меняться от 15 до 20 раз в секунду. Эту работу выполняет бесщёточный электродвигатель. Отдельно три сервомотора у основания каждого крыла меняют их геометрию, чтобы создавать подъёмную силу в нужное время и в нужном месте.

Регулируя наклоны и геометрию крыльев, инженеры заставляют робопчелу лететь вперёд, делать развороты в обе стороны или кружить на месте, а также менять высоту полёта. Собственно, точную траекторию полёта задаёт центральный компьютер, а поскольку все робопчёлы создаются вручную и имеют разброс характеристик, каждая из них проходит автокалибровку. После калибровки робопчёлами можно управлять как унифицированными единицами, не заботясь о том, что одна может быть тяжелее, другая легче, а у третьей чуть другие крылья.

Система полёта робопчёл в рое строится на системе широкополосных маяков (UWB). В специальном помещении установлено два уровня маяков, по временным меткам которых робопчёлы определяют своё место в пространстве и в рое. Система учитывает множество факторов, включая турбулентность от махов крыльями соседок в рое. Для инженеров Festo это был ценный опыт по созданию роботизированной летающей единицы и организации согласованного полёта группы таких единиц. Когда-нибудь этот опыт пригодится для разработки ещё более продвинутых бионических и роящихся автоматов.

Международная инициатива DeTOP с 2018 года объединяет усилия исследовательских организаций медицинского профиля из Швеции, Италии, Швейцарии и Великобритании. Её целью является создание достаточно проворного с точки зрения мелкой моторики бионического протеза руки, интегрируемого в районе предплечья пациента, который позволяет получать обратную связь по ряду ощущений. Первые успехи на этом направлении уже достигнуты.

Источник изображения: DeTOP

Как сообщает ExtremeTech со ссылкой на Science Robotics, на протяжении последних четырёх лет специалисты DeTOP готовили эксперимент по вживлению элементов протеза руки жительнице Швеции, которая потеряла кисть и часть предплечья в результате травмы, полученной около двадцати лет назад. Пациентка по имени Карен, как сообщается, до этого страдала от сильных фантомных болей в руке, в результате чего была вынуждена принимать болеутоляющие средства и часто не могла полноценно отдыхать во сне, а также заниматься физической работой при использовании протезов прежних поколений.

Участнице эксперимента в рамках подготовки к вживлению элементов протеза в кости предплечья и «подключения» управляющих электродов к её нервным окончаниям, была проведена подготовительная реабилитация, направленная на укрепление костей предплечья, с которыми создателям протеза в дальнейшем пришлось работать. Кости в ампутированных конечностях часто теряют былую прочность, поэтому перед интеграцией бионического протеза их в данном случае нужно было укрепить.

Эксперимент показал, что новый бионический протез позволяет на 80 % восстановить функции руки пациентки. Она даже получила возможность чувствовать силу нажима и различать текстуру поверхностей, к которым прикасается протезом. Кроме того, Карен стала меньше страдать от фантомных болей в ампутированной конечности. Прежде чем освоиться с новым протезом, пациентка тренировалась управлять им в среде виртуальной реальности. Каждым пальцем протеза Карен может управлять по отдельности, а также чувствовать обратную связь при взаимодействии с предметами, до которых она дотрагивается. Эксперимент DeTOP значительно улучшил качество жизни Карен, но пока сложно сказать, насколько успешно данные технологии можно тиражировать.