Новые бионические протезы будут передавать тактильные ощущения

Команда исследователей из Чикагского университета и Университета Джонса Хопкинса разрабатывает протез руки, через который можно было бы получать настоящие тактильные ощущения от прикосновения к любым поверхностям и чувствовать их температуру.

За последние пятнадцать лет появилось множество новых прототипов различных протезов, которые из-за их высокого технологического уровня и принципов работы стали называть бионическими. Одни модели обладают невероятными степенями свободы за счёт наличия более двух десятков искусственных суставов и позволяют двигать каждым пальцем по отдельности. Другие управляются мысленными командами через интерфейс «мозг — компьютер» почти таким же образом, как и собственные конечности. Стать более полноценной заменой всем им мешает общий недостаток — невозможность осязать.

Протез руки, управляемый через интерфейс «мозг — компьютер» (фото: livescience.com).

Отсутствие тактильной чувствительности у любых протезов мешает воспринимать их как часть себя. Независимо от срока использования у большинства людей они продолжают ощущаться как внешний персонализированный инструмент. Однако отсутствие обратной связи с протезами — гораздо более серьёзная проблема, чем простой психологический дискомфорт. Без неё трудно определить температуру предмета, его массу и необходимую для удержания силу сжатия.

Конечно, обычные протезы частично позволяют оценивать прилагаемые усилия, но это всегда происходит косвенным образом. Например, через меняющееся ощущение сопротивления в простых механических моделях или изменение звука сервоприводов у моторизированных. Этого явно недостаточно для уверенного использования.

Случайные прикосновения к горячим поверхностям повреждают протез, а «бесчувственность» приводит к постоянной неловкости движений. Во время интервью для издания Nature один из пациентов, участвующий в апробации различных протезов, пожаловался на часто возникающие из-за этого проблемы:

«Мне трудно понять, с какой силой надо сжимать искусственные пальцы. Когда я беру товар в магазине с полки, то нередко роняю его. Дома тарелки выскальзывают и бьются. Вместо того чтобы взять фрукт, я могу смять его. Если бы мой протез позволял чувствовать, я был бы очень рад этому и просто брал бы им любые предметы не задумываясь».

Группа исследователей из двух университетов провела серию экспериментов, в которых смогла добиться передачи электрических сигналов от группы датчиков непосредственно в сенсорную область коры больших полушарий у макак-резусов. Более того, лабораторные животные смогли успешно интерпретировать эти сигналы как тактильные ощущения от различных частей руки. Для этого импульсы направлялись к разным участкам сенсорной зоны.

Схема эксперимента: рецептивные поля и нейроимплант в районе центральной борозды (изображение: Gregg A. Tabot et al.).

В другом исследовании группа макак подобным образом успешно определяла силу давления. Разумеется, мы не знаем наверняка, что чувствовали обезьяны. Однако по их поведению мы можем довольно уверенно судить о том, что в эти моменты они ощущали аналоги прикосновений.

Пока это лишь первые шаги на пути к созданию протеза с тактильной обратной связью. На данном этапе существует проблема со скоростью передачи сенсорных импульсов в мозг. Задержка ещё слишком велика, чтобы говорить о взаимодействии в реальном времени.

Сначала происходит касание, затем обрабатывается информация от датчиков. На её основании кодируется и передаётся в мозг электрический сигнал, распознаваемый как тактильное ощущение. На каждом этапе тратятся доли секунды, но в результате реакция в целом выглядит заторможенной. Исследователи ищут способы уменьшить латентность системы.

В случае удачи созданный в Университете Джонса Хопкинса протез станет самым чувствительным среди всех аналогичных разработок. На нём разместят более сотни датчиков давления и температуры. Их количество кажется внушительным, если не сравнивать с кожей. Всего в ней содержится около 4 млн различных рецепторов, а их плотность измеряется десятками и сотнями на квадратный сантиметр.

Схема протеза руки с датчиками трёх типов (ранняя версия, изображение: Jasiek Krzysztofiak / Johns Hopkins University Applied Physics Lab.).

Чтобы хоть как-то приблизить искусственную руку к такой чувствительности, практически все датчики будут расположены на ладонной поверхности кисти.

Биомедицинский инженер Роберт Кирш (Robert Kirsch), работающий в частном Кливлендском университете, высоко оценил важность разработки протезов с функцией осязания на страницах издания Nature:

«Вероятно, это следующая большая революция, которая должна произойти».

До сих пор исследователям удавалось считывать только общую и сильно упрощённую картину мозговой активности. Теперь перед ними стоит ещё более сложная задача — научиться передавать информацию о внешнем мире непосредственно в мозг, кодируя её в виде электрических сигналов.

Привычные тактильные ощущения только кажутся простыми по своей природе. В их основе всегда лежит сложный процесс наложения сигналов от разных рецепторов в коже, мышцах и сухожилиях. Только реагируя вместе, они вызывают характерное чувство. Просто коснувшись любой поверхности, вы сразу можете описать её как твёрдую или мягкую, гладкую или шероховатую, тёплую или холодную, сухую или влажную. Для бионики будет прорывом, если протез сможет передавать хотя бы часть ощущений.

Прототип протеза руки с возможностью передачи тактильных ощущений (изображение: Johns Hopkins University Applied Physics Lab.).

Перед запуском в производство такого протеза его создателям предстоит гораздо более долгий путь согласования с федеральными контролирующими органами в сфере здравоохранения, чем это принято для обычных новых моделей. Впервые протез руки потребует вмешательства нейрохирурга для имплантации электродов в мозг пациента.

Прежде чем начнётся этап клинических исследований с участием добровольцев среди людей, должна пройти ещё не одна серия экспериментов на лабораторных животных. Как и в любом инвазивном методе, есть риск травмы, развития инфекций и неучтённых отдалённых последствий.

Как отдельная проблема указывается калибровка системы. Электрические сигналы от протеза наверняка будут более грубыми раздражителями, чем естественные тактильные ощущения. Для каждого пациента придётся подбирать пороговые уровни и характеристики сигналов, чтобы они достоверно различались, а также не воспринимались как болевые или неприятные.

Кроме того, пока не ясно, как долго сможет проработать такой протез без обслуживания. Никому не захочется ложиться на повторную операцию, чтобы заменить вышедший из строя имплантат или обновить его прошивку.

Андрей Васильков

“Компьютерра”