电动假肢可以感觉到你的触摸和移动

基文·沃尔加莫特有一种很好的“感觉”,就是不把鸡蛋压碎就把它捡起来。

对几乎所有其他人来说,这似乎很简单,但对于17年前在一起电气事故中失去了左手和部分手臂的沃尔加莫特来说,这可能更是一项艰巨的任务。但他正在测试一种高科技假肢的原型,这种假肢的手指不仅可以移动,而且可以随他的想法移动。多亏了犹他大学的一个生物医学工程团队,他“感觉”鸡蛋足够好,这样他的大脑就能告诉假手不要用力挤压。

这是因为由犹他大学生物医学工程副教授Gregory Clark领导的研究小组已经开发出一种方法,让“Luke Arm”(以Luke Skywalker在“帝国反击”中使用的机器人手命名)模仿人类手通过发送认可信号来感受物体的方式。把信号传给大脑。他们的研究结果发表在最新一期《科学机器人学》杂志上,这篇论文由美国生物医学工程博士生雅各布·乔治、前博士生大卫·克鲁格、克拉克和其他同事共同撰写。可通过电子邮件[电子邮件保护]获得该文件的副本。

我们改变了向大脑发送信息的方式,使其与人体相匹配。通过匹配人体,我们能够看到改善的好处。我们正在制造更符合生物学原理的信号。”

Jacob George,犹他大学生物医学工程博士生

这意味着一个戴着假肢的截肢者可以感觉到软的或硬的东西的触摸,更好地理解如何拾起它,并执行一些微妙的任务,否则用一个标准的带有金属钩或手爪的假肢是不可能的。

“这几乎让我流泪,”Walgamott说,他在2017年的临床试验中首次使用了Luke手臂。真是太神奇了。我从来没想过我能再次感受到那只手。”

沃尔加莫特是犹他州西谷市的一名房地产经纪人,也是犹他州大学的七名受试者之一,他能够在不压碎葡萄的情况下采摘葡萄,在不破裂的情况下拣起一个鸡蛋,用手指的感觉握着他妻子的手,就像一个身体健全的人一样。

“他想做的第一件事就是戴上他的结婚戒指。一只手很难做到,”克拉克说。很感动。”

这些事情是如何通过一系列复杂的数学计算和建模来完成的。

卢克手臂

卢克武器已经发展了15年。手臂本身主要由金属马达和手上有透明硅“皮肤”的部件组成。它由外部电池供电并连接到计算机。它是由德卡研究与发展公司开发的,这是一家位于新罕布什尔州的公司,由Segway发明家迪安·卡门创建。

与此同时,犹他大学的研究小组正在开发一种系统,可以让假肢伸入佩戴者的神经,就像生物线一样,将信号发送到手臂上移动。这要归功于犹他大学生物医学工程名誉教授理查德诺曼(RichardA.Norman)发明的一种称为犹他倾斜电极阵列的方法。这个阵列是一束由100个微电极和电线组成的束,这些微电极和电线被植入前臂的被截肢者神经中,并与体外的计算机相连。这个阵列解释来自仍然存在的手臂神经的信号,计算机将它们转换成数字信号,告诉手臂移动。

相关的故事脑游戏可以帮助老年人提高认知能力。中年高血压可能会使大脑在晚年萎缩。新的核磁共振成像技术捕捉到大脑思考的图像,但它也起到了相反的作用。要执行诸如拾起物体之类的任务,不仅需要大脑告诉手移动。假手还必须学会如何“感觉”物体,以便知道施加的压力有多大,因为你不能仅仅通过观察它就知道这一点。

首先,假肢的手上有传感器,通过阵列向神经发送信号,模拟手抓取东西时的感觉。但同样重要的是如何发送这些信号。它涉及到理解当你的大脑第一次接触到某些东西时,它如何处理信息的转换。当物体第一次接触时,一股脉冲会将神经传导到大脑,然后逐渐减弱。重建这是一个很大的步骤。

克拉克说:“仅仅提供感觉是一件大事,但是你发送信息的方式也是非常重要的,如果你让它在生物学上更真实,大脑会更好地理解它,这种感觉的表现也会更好。”

为了实现这一点,克拉克的研究小组利用数学计算和记录下来的灵长类动物手臂的脉冲,建立了一个人类如何接收这些不同信号模式的近似模型。然后该模型被实现到Luke ARM系统中。

未来研究

除了创造一个具有触觉的卢克手臂的原型之外,整个团队已经在开发一个完全可移植的版本,不需要连接到身体外部的电脑上。相反,所有的东西都是无线连接的,给佩戴者完全的自由。

克拉克说,犹他州倾斜电极阵列也能够向大脑发送信号,而不仅仅是触摸感,比如疼痛和温度,尽管这篇论文主要讨论触摸。克拉克说,虽然他们目前的工作只涉及到那些手肘以下的截肢者,他们的手肘以下的肌肉是移动手的位置,但他们的研究也可以应用到那些手肘以上失去手臂的人身上。

克拉克希望,在2020年或2021年,在联邦监管机构批准之前,三名受试者将能够携带武器回家使用。

这项研究涉及多个机构,包括美国神经外科、物理医学和康复部、骨科、芝加哥大学组织生物学和解剖学系、克利夫兰诊所生物医学系。工程和犹他州神经技术公司Ripple Neuro LLC和Blackrock Microsystems。该项目由国防高级研究计划署和国家科学基金会提供资金。

“这是一个令人难以置信的跨学科努力,”克拉克说。如果没有团队中每个人的努力,我们不可能做到这一点。”

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