Un picior robot care poate fi controlat pe deplin de creier și măduva spinării a permis șapte persoane care și-au pierdut un picior inferior să meargă la fel de repede ca oamenii fără amputații.

Piciorul bionic folosește o interfață de computer care amplifică semnalele nervoase de la mușchii din partea rămasă a piciorului, permițând purtătorului să miște proteza folosind propriile gânduri și reflexe naturale.

Într-un studiu clinic pe 14 persoane, participanții cu această interfață au reușit să meargă cu 41% mai repede decât cei cu picioare robotizate tradiționale. De asemenea, aveau un echilibru mai bun și capacitatea de a schimba viteza, de a urca scările și de a depăși obstacolele. Rezultatele au fost anunțate astăziMedicina Naturiipublicat 1.

„Acesta este primul studiu care arată modele naturale de mers cu modulație neuronală completă, în care creierul persoanei are control 100% asupra protezei bionice, nu un algoritm robotic”, a spus coautorul studiului. Hugh Lord, biofizician la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge, la o conferință de presă în care a anunțat rezultatele.

„Deși piciorul este fabricat din titan, silicon și diverse componente electromecanice, piciorul se simte și se mișcă în mod natural, fără gândire conștientă”, a adăugat el.

Herr a avut ambele picioare amputate după ce a rămas blocat pe gheață pe Muntele Washington din New Hampshire în timpul unui viscol din 1982. El spune că va lua în considerare dispozitivele de interfață pentru membrele sale în viitor.

Mușchiul se întâlnește cu mașina

Majoritatea membrelor artificiale bionice existente se bazează pe algoritmi prestabiliți pentru a controla mișcările și pot comuta automat între moduri predefinite pentru diferite condiții de mers. Modelele avansate au ajutat persoanele cu amputate să meargă, să alerge și să urce scările mai fluid, dar robotul păstrează controlul asupra mișcării picioarelor, nu asupra utilizatorului, iar dispozitivul nu se simte ca o parte a corpului.

Hotărâți să schimbe acest lucru, Herr și colegii săi au dezvoltat o interfață care controlează piciorul robotizat folosind semnale de la nervii și mușchii care rămân după amputare.

Studiul lor clinic a inclus 14 participanți cu amputații sub genunchi. Înainte de a purta dispozitivul robotic, șapte dintre ei au suferit o intervenție chirurgicală pentru a conecta perechi de mușchi în secțiunile rămase ale picioarelor.

Această tehnică chirurgicală, care creează o interfață mioneurală agonist-antagonist (AMI), își propune să recreeze mișcările naturale ale mușchilor, astfel încât contracția unui mușchi să întindă pe altul. Acest lucru ajută la ameliorarea durerii, la menținerea masei musculare și la îmbunătățirea confortului cu piciorul bionic 2.

Piciorul bionic în sine include o proteză de gleznă echipată cu senzori și electrozi atașați la suprafața pielii. Acestea captează semnalele electrice generate de mușchii la locul amputației și le trimit la un mic computer pentru decodare. Piciorul cântărește 2,75 kilograme, similar cu greutatea medie a unui picior inferior natural.

Îmbunătățiri rapide

Pentru a testa sistemul, participanții au exersat cu noile lor picioare bionice timp de un total de șase ore fiecare. Cercetătorii și-au comparat apoi performanța la diferite sarcini cu cea a celorlalți șapte participanți care au primit intervenții chirurgicale convenționale și proteze.

AMI a crescut rata semnalelor musculare la o medie de 10,5 impulsuri pe secundă, comparativ cu aproximativ 0,7 impulsuri pe secundă în grupul de control. Deși aceasta reprezintă doar 18% din impulsurile musculare din mușchii intacți din punct de vedere biologic - aproximativ 60 de impulsuri pe secundă - participanții cu IAM au putut să-și controleze complet protezele și au mers cu 41% mai repede decât cei din grupul de control. Vitezele lor de vârf corespund cu cele ale persoanelor fără amputații atunci când merg pe o potecă plană de-a lungul unui coridor de 10 metri lungime.

„De fapt, mi s-a părut remarcabil că s-ar putea descurca atât de bine cu atât de puțină învățare”, spune Levi Hargrove, neuroștiință la Universitatea Northwestern din Chicago, Illinois. „Ar vedea și mai multe beneficii cu o perioadă mai lungă de antrenament de purtare a dispozitivului.”

Cercetătorii au testat, de asemenea, cât de bine ar putea participa participanții să facă față diferitelor situații, inclusiv mersul pe o podea cu o înclinație de 5 grade, urcatul scărilor și depășirea obstacolelor. În toate scenariile, utilizatorii AMI au demonstrat un echilibru mai bun și o performanță mai rapidă decât persoanele din grupul de control.

„Oferă utilizatorului un grad atât de mare de flexibilitate, care este mult mai aproape de piciorul biologic”, spune Tommaso Lenzi, inginer biomedical la Universitatea din Utah din Salt Lake City.

Experiență naturală

Tehnologia oferă o nouă speranță persoanelor cu amputații care doresc să-și recapete mersul natural. "Oamenii care au o amputație vor să-și mențină controlul asupra membrelor. Vor să simtă că membrul face parte din corpul lor", spune Lenzi. „Acest tip de interfață neuronală este necesar pentru a realiza acest lucru.”

Îmbunătățirile aduse designului piciorului ar putea reduce greutatea și optimiza electrozii de suprafață, care sunt sensibili la umiditate și transpirație și ar putea să nu fie potriviti pentru utilizarea de zi cu zi, spune Lenzi. Vor fi necesare studii viitoare pentru a testa dacă dispozitivul poate face față unor activități mai solicitante, cum ar fi sprintul și săriturile.

Herr spune că echipa sa caută deja modalități de a înlocui electrozii de suprafață cu mici bile magnetice implantate care pot urmări cu exactitate mișcările musculare.

Acest studiu „oferă fundamentul de care avem nevoie pentru a traduce apoi acest lucru în tehnologii și soluții viabile clinic pentru toți cei care suferă de o amputație”, spune Lenzi.