مكنت الساق الآلية التي يمكن التحكم فيها بشكل كامل عن طريق الدماغ والحبل الشوكي سبعة أشخاص فقدوا الجزء السفلي من ساقهم من المشي بسرعة مثل الأشخاص الذين لم يتم بتر أطرافهم.

تستخدم الساق الإلكترونية واجهة كمبيوتر تعمل على تضخيم الإشارات العصبية من العضلات في الجزء المتبقي من الساق، مما يسمح لمرتديها بتحريك الطرف الاصطناعي باستخدام أفكاره الخاصة وردود الفعل الطبيعية.

وفي تجربة سريرية شملت 14 شخصًا، تمكن المشاركون الذين يستخدمون هذه الواجهة من المشي أسرع بنسبة 41% من أولئك الذين لديهم أرجل روبوتية تقليدية. كما كان لديهم أيضًا توازن أفضل وقدرة على تغيير السرعة وصعود السلالم والتغلب على العوائق. وتم إعلان النتائج اليومطب الطبيعةنشرت 1.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة: "هذه هي الدراسة الأولى التي تظهر أنماط مشية طبيعية مع تعديل عصبي كامل، حيث يتحكم دماغ الشخص بنسبة 100٪ في الأطراف الاصطناعية الإلكترونية، وليس الخوارزمية الآلية". هيو الرب ، عالم الفيزياء الحيوية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج، في مؤتمر صحفي أعلن فيه النتائج.

وأضاف: "على الرغم من أن الساق مصنوعة من التيتانيوم والسيليكون ومكونات كهروميكانيكية مختلفة، إلا أن الساق تشعر وتتحرك بشكل طبيعي، دون تفكير واعي".

تم بتر ساقي هير بعد أن تقطعت بهم السبل على الجليد في جبل واشنطن في نيو هامبشاير خلال عاصفة ثلجية في عام 1982. ويقول إنه سيفكر في أجهزة واجهة لأطرافه في المستقبل.

تلتقي العضلات بالآلة

تعتمد معظم الأطراف الاصطناعية الإلكترونية الموجودة على خوارزميات محددة مسبقًا للتحكم في الحركات ويمكنها التبديل تلقائيًا بين الأوضاع المحددة مسبقًا لظروف المشي المختلفة. وقد ساعدت النماذج المتقدمة الأشخاص مبتوري الأطراف على المشي والجري وتسلق السلالم بسلاسة أكبر، لكن الروبوت يحتفظ بالتحكم في حركة الساق، وليس المستخدم، ولا يشعر الجهاز وكأنه جزء من الجسم.

ولإصرار هير وزملاؤه على تغيير ذلك، قاموا بتطوير واجهة تتحكم في الساق الروبوتية باستخدام إشارات من الأعصاب والعضلات التي تبقى بعد البتر.

شملت تجربتهم السريرية 14 مشاركًا تعرضوا لعمليات بتر تحت الركبة. وقبل ارتداء الجهاز الآلي، خضع سبعة منهم لعملية جراحية لربط أزواج من العضلات في الأجزاء المتبقية من أرجلهم.

تهدف هذه التقنية الجراحية، التي تخلق واجهة عضلية عضلية ناهضة ومضادة (AMI)، إلى إعادة إنشاء حركات العضلات الطبيعية بحيث يؤدي انقباض إحدى العضلات إلى تمديد عضلة أخرى. وهذا يساعد على تخفيف الألم والحفاظ على كتلة العضلات وتحسين الراحة مع الساق الإلكترونية 2.

تشتمل الساق الإلكترونية نفسها على كاحل صناعي مزود بأجهزة استشعار وأقطاب كهربائية متصلة بسطح الجلد. تلتقط هذه الإشارات الكهربائية التي تولدها العضلات في موقع البتر وترسلها إلى جهاز كمبيوتر صغير لفك تشفيرها. تزن الساق 2.75 كيلو جرام، وهو ما يعادل متوسط ​​وزن الجزء السفلي من الساق الطبيعية.

تحسينات سريعة

ولاختبار النظام، تدرب المشاركون على أرجلهم الإلكترونية الجديدة لمدة ست ساعات لكل منهم. ثم قارن الباحثون أداءهم في مهام مختلفة بأداء المشاركين السبعة الآخرين الذين خضعوا لجراحة تقليدية وأطراف صناعية.

وزادت AMI معدل إشارات العضلات إلى متوسط ​​10.5 نبضة في الثانية، مقارنة بحوالي 0.7 نبضة في الثانية في المجموعة الضابطة. على الرغم من أن هذا يمثل 18% فقط من النبضات العضلية في العضلات السليمة بيولوجيًا - حوالي 60 نبضة في الثانية - إلا أن المشاركين الذين يعانون من AMI تمكنوا من التحكم بشكل كامل في أطرافهم الاصطناعية ومشوا أسرع بنسبة 41% من أولئك في المجموعة الضابطة. وتتوافق سرعاتها القصوى مع تلك التي يتمتع بها الأشخاص الذين ليس لديهم أطراف مبتورة عند المشي على مسار مستوٍ على طول ممر يبلغ طوله 10 أمتار.

يقول ليفي هارجروف، عالم الأعصاب في جامعة نورث وسترن في شيكاغو، إلينوي: "لقد وجدت أنه من الرائع حقًا أن يتمكنوا من تحقيق نتائج جيدة مع القليل من التعلم". "سوف يرون فائدة أكبر مع فترة تدريب أطول لارتداء الجهاز."

واختبر الباحثون أيضًا مدى قدرة المشاركين على التعامل مع المواقف المختلفة، بما في ذلك المشي على أرضية مائلة بمقدار 5 درجات، وصعود السلالم والتغلب على العوائق. وفي جميع السيناريوهات، أظهر مستخدمو AMI توازنًا أفضل وأداءً أسرع من الأشخاص في المجموعة الضابطة.

يقول توماسو لينزي، مهندس الطب الحيوي بجامعة يوتا في سولت ليك سيتي: «إنها تمنح المستخدم درجة عالية من المرونة أقرب بكثير إلى الساق البيولوجية».

تجربة طبيعية

توفر هذه التكنولوجيا أملًا جديدًا للأشخاص الذين يعانون من مبتوري الأطراف والذين يرغبون في استعادة المشي الطبيعي. يقول لينزي: "الأشخاص الذين تعرضوا لبتر الأطراف يريدون الحفاظ على السيطرة على أطرافهم. إنهم يريدون أن يشعروا بأن الطرف جزء من أجسادهم". "هذا النوع من الواجهة العصبية ضروري لتحقيق ذلك."

يقول لينزي إن التحسينات في تصميم الساق يمكن أن تقلل الوزن وتحسن الأقطاب الكهربائية السطحية، والتي تكون حساسة للرطوبة والعرق وقد لا تكون مناسبة للاستخدام اليومي. ستكون هناك حاجة لدراسات مستقبلية لاختبار ما إذا كان الجهاز يمكنه التعامل مع الأنشطة الأكثر تطلبًا مثل الركض والقفز.

يقول هير إن فريقه يبحث بالفعل عن طرق لاستبدال الأقطاب الكهربائية السطحية بكرات مغناطيسية صغيرة مزروعة يمكنها تتبع حركات العضلات بدقة.

يقول لينزي: "توفر هذه الدراسة الأساس الذي نحتاجه لترجمة ذلك إلى تقنيات وحلول قابلة للتطبيق سريريًا لكل شخص يعاني من البتر".