Düşük Maliyetli, Şişirilebilir Biyonik El, Ampute Hastalara Gerçek Zamanlı Dokunsal Kontrol Sağlıyor

Protez, bavulun fermuarını çekmek, el sıkışmak ve bir kediyi sevmek gibi çok çeşitli günlük aktiviteleri mümkün kılar.

Dünyada üst ekstremite amputasyonu geçiren 5 milyondan fazla insan için protezler çok yol kat etti. Geleneksel manken benzeri uzantıların ötesinde, bir kullanıcının artık kas sinyallerini algılamak ve amaçlanan hareketlerini robotik olarak taklit etmek için tasarlanmış, son derece eklemli biyonik uzuvlar olan, giderek artan sayıda ticari nöroprostetik var.

Ancak bu yüksek teknoloji becerisinin bir bedeli var. Nöroprotezler on binlerce dolara mal olabilir ve ağır ve sert olabilen elektrik motorlarıyla metal iskeletler etrafında inşa edilir.

Şimdi MIT ve Shanghai Jiao Tong Üniversitesi’ndeki mühendisler, yumuşak, hafif ve potansiyel olarak düşük maliyetli nöroprostetik bir el tasarladılar. Yapay uzvunu test eden amputeler, bir bavulun fermuarını çekmek, bir karton meyve suyu dökmek ve bir kediyi sevmek gibi günlük aktiviteleri ve aynı zamanda – ve bazı durumlarda daha sert nöroprostetiklere sahip olanlardan daha iyi – gerçekleştirdiler.

Araştırmacılar, dokunsal geri bildirim için bir sistemle tasarlanan protezin, bir gönüllünün artık uzvunda bazı ilkel hissi geri yüklediğini buldular. Yeni tasarım aynı zamanda şaşırtıcı derecede dayanıklıdır, bir çekiçle vurulduktan veya bir araba ile ezildikten sonra çabucak toparlanır.

Akıllı el yumuşak ve esnektir ve yaklaşık yarım kilo ağırlığındadır. Bileşenlerinin toplamı yaklaşık 500 dolar – daha sert akıllı uzuvlarla ilişkili ağırlık ve malzeme maliyetinin bir kısmı.

MIT’de makine mühendisliği ve inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Xuanhe Zhao, “Bu henüz bir ürün değil, ancak performans zaten mevcut nöroprostetiklere benzer veya daha üstün, bu bizi heyecanlandırıyor” diyor. “Bu yumuşak protezi, ampütasyondan muzdarip düşük gelirli aileler için çok düşük maliyetli hale getirmek için büyük bir potansiyel var.”

Zhao ve meslektaşları çalışmalarını bugün Nature Biomedical Engineering’de yayınladılar . Ortak yazarlar arasında MIT doktora sonrası Shaoting Lin, Guoying Gu, Xiangyang Zhu ve Çin’deki Şanghay Jiao Tong Üniversitesi’ndeki işbirlikçiler yer alıyor.

büyük kahraman eli
Takımın esnek yeni tasarımı, “Big Hero 6” animasyon filmindeki belirli bir şişme robota esrarengiz bir benzerlik taşıyor. Yumuşacık android gibi, takımın yapay eli de yumuşak, esnek malzemeden yapılmıştır – bu durumda ticari elastomer EcoFlex. Protez, gerçek parmaklardaki eklemli kemiklere benzer şekilde, her biri fiber segmentleri ile gömülü beş balon benzeri parmaktan oluşur. Kıvrımlı rakamlar, insan eli şeklinde 3 boyutlu olarak basılmış bir “avuç içi” ile bağlantılıdır.

Çoğu nöroprostetikte olduğu gibi, her bir parmağı monte edilmiş elektrik motorlarını kullanarak kontrol etmek yerine, araştırmacılar parmakları hassas bir şekilde şişirmek ve belirli pozisyonlarda bükmek için basit bir pnömatik sistem kullandılar. Küçük bir pompa ve valfler içeren bu sistem, bele takılarak protezin ağırlığını önemli ölçüde azaltır.

Lin, bir parmağın istenen konumunu, bir pompanın bu konumu elde etmek için uygulamak zorunda olduğu karşılık gelen basınçla ilişkilendirmek için bir bilgisayar modeli geliştirdi. Ekip, bu modeli kullanarak, pnömatik sistemi parmakları şişirmek için yönlendiren, iki ve üç parmağı birbirine kıstırma, yumruğa yumruk yapma ve avuç içi çukurluğu dahil olmak üzere beş ortak kavrayışı taklit eden konumlarda yönlendiren bir kontrolör geliştirdi.

Pnömatik sistem, kasları kontrol etmek için motor nöronlar tarafından üretilen elektrik sinyallerini ölçen elektromiyografi sensörleri olan EMG sensörlerinden sinyaller alır. Sensörler, protezin kullanıcının uzvuna bağlandığı yerdeki açıklığına takılır. Bu düzenlemede, sensörler, ampute bir kişinin yumruk attığını hayal etmesi gibi, artık bir uzuvdan sinyaller alabilir.

Ekip daha sonra kas sinyallerini “çözen” ve bunları yaygın kavrama türleriyle ilişkilendiren mevcut bir algoritmayı kullandı. Kontrol cihazını kendi pnömatik sistemleri için programlamak için bu algoritmayı kullandılar. Bir ampute, örneğin bir şarap kadehi tuttuğunu hayal ettiğinde, sensörler artık kas sinyallerini alır ve kontrolör bunu karşılık gelen basınçlara dönüştürür. Pompa daha sonra her parmağı şişirmek ve ampute’nin amaçlanan kavramasını sağlamak için bu basınçları uygular.

Tasarımlarında bir adım daha ileri giden araştırmacılar, çoğu ticari nöroprostetikte yer almayan bir özellik olan dokunsal geri bildirimi etkinleştirmeye çalıştılar. Bunu yapmak için, her parmak ucuna dokunulduğunda veya sıkıldığında algılanan basınca orantılı bir elektrik sinyali üreten bir basınç sensörü diktiler. Her sensör, ampute kişinin kalan uzvundaki belirli bir konuma kablolanmıştır, böylece kullanıcı, örneğin işaret parmağına karşı protezin başparmağına basıldığında “hissedebilir”.

Iyi kavrama
Şişirilebilir eli test etmek için araştırmacılar, her biri üst ekstremite amputasyonu olan iki gönüllüyü görevlendirdi. Nöroprostetik ile donatıldıktan sonra gönüllüler, beş ortak kavrama yapmayı hayal ederken kollarındaki kasları tekrar tekrar kasarak kullanmayı öğrendiler.

Bu 15 dakikalık eğitimi tamamladıktan sonra, gönüllülerden manuel güç ve el becerisini göstermek için bir dizi standart test yapmaları istendi. Bu görevler arasında pulları istiflemek, sayfaları çevirmek, kalemle yazmak, ağır topları kaldırmak ve çilek ve ekmek gibi kırılgan nesneleri toplamak vardı. Aynı testleri daha sert, ticari olarak temin edilebilen biyonik bir el kullanarak tekrarladılar ve şişirilebilir protezin sert muadili ile karşılaştırıldığında çoğu görevde daha iyi veya hatta daha iyi olduğunu buldular.

Bir gönüllü, yumuşak protezi, örneğin kraker, kek ve elma gibi yiyecekleri yemek ve dizüstü bilgisayarlar, şişeler, çekiçler ve pense gibi nesneleri ve aletleri tutmak gibi günlük aktivitelerde sezgisel olarak kullanabildi. Bu gönüllü, örneğin birinin elini sıkmak, bir çiçeğe dokunmak ve bir kediyi sevmek gibi yumuşak protezleri de güvenli bir şekilde manipüle edebilir.

Özellikle heyecan verici bir alıştırmada, araştırmacılar gönüllünün gözlerini bağladılar ve hangi protez parmağı dürttüklerini ve fırçaladıklarını ayırt edebildiğini buldular. Ayrıca protez eline yerleştirilen farklı büyüklükteki şişeleri “hissedebildi” ve karşılık olarak onları kaldırdı. Ekip, bu deneyleri, ampute hastaların şişirilebilir el ile bir tür duyum ve gerçek zamanlı kontrolü yeniden kazanabileceklerinin umut verici bir işareti olarak görüyor.

Ekip, MIT aracılığıyla tasarımın patentini aldı ve algılamasını ve hareket aralığını iyileştirmek için çalışıyor.

“Artık dört kavrama tipimiz var. Daha fazlası olabilir,” diyor Zhao. “Bu tasarım, daha iyi kod çözme teknolojisi, daha yüksek yoğunluklu miyoelektrik diziler ve bileğe takılabilen daha kompakt bir pompa ile geliştirilebilir. Ayrıca tasarımı seri üretim için özelleştirmek istiyoruz, böylece yumuşak robot teknolojisini topluma fayda sağlayacak şekilde çevirebiliriz.”