Aivoilla ja selkäytimellä täysin hallittavissa oleva robottijalka on mahdollistanut seitsemän säären menettäneen ihmisen kävellä suunnilleen yhtä nopeasti kuin ihmiset, joilla ei ole amputaatioita.

Bionic-jalka käyttää tietokoneliitäntää, joka vahvistaa jalan jäljellä olevan osan lihaksista tulevia hermosignaaleja, jolloin käyttäjä voi liikuttaa proteesia omien ajatustensa ja luonnollisten refleksien avulla.

14 hengen kliinisessä tutkimuksessa osallistujat, joilla oli tämä käyttöliittymä, pystyivät kävelemään 41 % nopeammin kuin perinteiset robottijalat. Heillä oli myös parempi tasapaino ja kyky muuttaa nopeutta, kiivetä portaita ja ylittää esteitä. Tulokset julkistettiin tänäänLuonnonlääketiedejulkaistu 1.

"Tämä on ensimmäinen tutkimus, joka osoittaa luonnollisia kävelykuvioita täydellä hermomodulaatiolla, jossa ihmisen aivoilla on 100 % hallinta bionisesta proteesista, ei robottialgoritmista", sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja. Hugh Lord, biofyysikko Massachusetts Institute of Technologysta Cambridgessa lehdistötilaisuudessa, jossa tiedotettiin tuloksista.

"Vaikka jalka on valmistettu titaanista, silikonista ja erilaisista sähkömekaanisista komponenteista, jalka tuntuu ja liikkuu luonnollisesti, ilman tietoista ajattelua", hän lisäsi.

Herr amputoitiin molemmat jalat sen jälkeen, kun hän jäi jäälle Mount Washingtonissa New Hampshiressa lumimyrskyn aikana vuonna 1982. Hän sanoo harkitsevansa raajoihinsa liitäntälaitteita tulevaisuudessa.

Lihas kohtaa koneen

Useimmat olemassa olevat bioniset tekoraajat käyttävät esiasetettuja algoritmeja ohjatakseen liikkeitä ja voivat vaihtaa automaattisesti ennalta määritettyjen tilojen välillä eri kävelyolosuhteita varten. Edistyneet mallit ovat auttaneet amputoituneita ihmisiä kävelemään, juoksemaan ja kiipeämään portaita sujuvammin, mutta robotti säilyttää jalkojen hallinnan, ei käyttäjän, eikä laite tunnu olevan osa kehoa.

Päättänyt muuttaa tämän, Herr ja hänen kollegansa kehittivät käyttöliittymän, joka ohjaa robottijalkaa käyttämällä signaaleja hermoista ja lihaksista, jotka jäävät jäljelle amputaation jälkeen.

Heidän kliiniseen tutkimukseen osallistui 14 osallistujaa, joilla oli polven alapuolella amputaatioita. Ennen robottilaitteen käyttöä seitsemälle heistä leikattiin lihasparien yhdistäminen jalkojensa jäljellä oleviin osiin.

Tämä kirurginen tekniikka, joka luo agonisti-antagonisti myoneuraalisen rajapinnan (AMI), pyrkii luomaan uudelleen luonnolliset lihasliikkeet siten, että yhden lihaksen supistuminen venyttää toista. Tämä auttaa lievittämään kipua, ylläpitämään lihasmassaa ja parantamaan mukavuutta bionisella jalalla 2.

Itse bioniseen jalkaan kuuluu proteesin nilkka, joka on varustettu sensoreilla ja ihon pintaan kiinnitetyillä elektrodeilla. Nämä sieppaavat amputaatiokohdan lihasten tuottamat sähköiset signaalit ja lähettävät ne pieneen tietokoneeseen dekoodaamista varten. Jalka painaa 2,75 kiloa, mikä vastaa luonnollisen säären keskipainoa.

Nopeat parannukset

Testaakseen järjestelmää osallistujat harjoittelivat uusilla bionisilla jaloillaan yhteensä kuusi tuntia. Tämän jälkeen tutkijat vertasivat suoritustaan ​​eri tehtävissä niiden seitsemän muun osallistujan suoritukseen, jotka olivat saaneet tavanomaista leikkausta ja proteeseja.

AMI nosti lihassignaalien nopeuden keskimäärin 10,5 pulssiin sekunnissa verrattuna kontrolliryhmän noin 0,7 pulssiin sekunnissa. Vaikka tämä edustaa vain 18 % lihasimpulsseista biologisesti koskemattomissa lihaksissa – noin 60 impulssia sekunnissa – AMI-potilaat pystyivät hallitsemaan proteesejaan täysin ja kävelivät 41 % nopeammin kuin vertailuryhmässä. Heidän huippunopeudensa vastaavat ihmisten, joilla ei ole amputaatioita, kävellessä tasaisella polulla 10 metriä pitkää käytävää pitkin.

"Minusta itse asiassa oli huomattavaa, että he pärjäsivät niin hyvin niin vähäisellä oppimisella", sanoo Levi Hargrove, neurotieteilijä Northwestern Universitystä Chicagossa, Illinoisissa. "He näkisivät vielä enemmän hyötyä pidemmästä harjoittelujaksosta laitteen käyttämisestä."

Tutkijat testasivat myös, kuinka hyvin osallistujat pystyivät selviytymään erilaisista tilanteista, kuten kävelemisestä 5 asteen kaltevalla lattialla, kiipeämään portaissa ja ylittämään esteitä. Kaikissa skenaarioissa AMI-käyttäjät osoittivat paremman tasapainon ja nopeamman suorituskyvyn kuin vertailuryhmän ihmiset.

"Se antaa käyttäjälle niin suuren joustavuuden, joka on paljon lähempänä biologista jalkaa", sanoo Tommaso Lenzi, biolääketieteen insinööri Utahin yliopistosta Salt Lake Citystä.

Luonnollinen kokemus

Tekniikka tarjoaa uutta toivoa ihmisille, joilla on amputaatio ja jotka haluavat saada takaisin luonnollisen kävelyn. "Ihmiset, joilla on amputaatio, haluavat säilyttää raajojensa hallinnan. He haluavat tuntea, että raaja on osa heidän kehoaan", Lenzi sanoo. "Tämän tyyppinen hermorajapinta on välttämätön tämän saavuttamiseksi."

Jalkojen suunnittelun parannukset voivat vähentää painoa ja optimoida pintaelektrodit, jotka ovat herkkiä kosteudelle ja hielle eivätkä välttämättä sovellu päivittäiseen käyttöön, Lenzi sanoo. Tulevia tutkimuksia tarvitaan testaamaan, kestääkö laite vaativampia aktiviteetteja, kuten sprinttiä ja hyppäämistä.

Herr sanoo, että hänen tiiminsä etsii jo tapoja korvata pintaelektrodit pienillä implantoiduilla magneettipalloilla, jotka voivat seurata tarkasti lihasten liikkeitä.

Tämä tutkimus "antaa perustan, jonka tarvitsemme tämän jälkeen kliinisesti toteuttamiskelpoisiksi tekniikoiksi ja ratkaisuiksi kaikille, joilla on amputaatio", Lenzi sanoo.