211service.com
Robotachtige ledematen die aansluiten op de hersenen
De meeste robotarmen die nu door sommige geamputeerden worden gebruikt, zijn van beperkte bruikbaarheid; ze hebben slechts twee tot drie vrijheidsgraden, waardoor de gebruiker één beweging tegelijk kan maken. En ze worden met bewuste inspanning bestuurd, wat betekent dat de gebruiker weinig anders kan doen tijdens het bewegen van het ledemaat.
Levensechte ledematen: Een hersengestuurde prothetische arm, in ontwikkeling bij het Applied Physics Lab aan de Johns Hopkins University met financiering van DARPA, kan geamputeerden in staat stellen veel geavanceerdere bewegingen te maken.
Een nieuwe generatie van veel geavanceerdere en levensechtere prothetische armen, gesponsord door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) van het Department of Defense, kan binnen de komende vijf tot tien jaar beschikbaar zijn. Twee verschillende prototypes die bewegen met de behendigheid van een natuurlijk ledemaat en die theoretisch net zo intuïtief kunnen worden bestuurd - met elektrische signalen die rechtstreeks vanuit de hersenen worden geregistreerd - beginnen nu met menselijke tests.
De eerste resultaten van een van deze onderzoeken - de eerste tests van een verlamde mens die een robotarm bestuurt met meerdere vrijheidsgraden - zullen in november worden gepresenteerd op de Society for Neuroscience-conferentie.
De nieuwe ontwerpen hebben een onafhankelijke beweging van ongeveer 20 graden, een aanzienlijke sprong voorwaarts ten opzichte van bestaande prothesen, en ze kunnen via verschillende interfaces worden bediend. Eén apparaat, ontwikkeld door DEKA Onderzoek en Ontwikkeling , kan bewust worden bestuurd met behulp van een systeem van hendels in een schoen.
In een meer invasieve maar ook meer intuïtieve benadering ondergaan geamputeerden een operatie om de resterende zenuwen van hun verloren ledematen naar de borstspieren te verplaatsen. Als u eraan denkt om de arm te bewegen, trekken de borstspieren samen, waardoor de prothese beweegt. Maar deze aanpak werkt alleen bij mensen met voldoende resterende zenuwcapaciteit en biedt een beperkte mate van controle. Om de behendigheid van deze prothesen optimaal te benutten en ze als een echte arm te laten functioneren, willen wetenschappers ze aansturen met hersensignalen.
Wanneer je een voorwerp oppakt, weten je hersenen automatisch dat ze de pols moeten draaien en de vingers moeten bewegen, zegt Michael McLoughlin, die toezicht houdt op de ontwikkeling van een van de prothesen aan de Laboratorium voor Toegepaste Natuurkunde (APL) aan de Johns Hopkins-universiteit. We willen een handig ledemaat en het vermogen om het op een natuurlijke manier te controleren, evenals een zekere mate van tactiele feedback.
De afgelopen vijf jaar zijn er beperkte tests van neurale implantaten bij ernstig verlamde patiënten gaande. Tot nu toe zijn bij ongeveer vijf mensen chips geïmplanteerd en hebben ze cursors op een computerscherm kunnen besturen, een rolstoel kunnen besturen en zelfs een grijper op een heel eenvoudige robotarm kunnen openen en sluiten. Uit uitgebreidere tests bij apen met een geïmplanteerde corticale chip blijkt dat de dieren een relatief eenvoudige armprothese op een nuttige manier kunnen leren besturen, door er een stukje marshmallow mee te grijpen en op te eten.
De volgende grote stap is de vraag: hoeveel dimensies kun je beheersen? zegt John Donoghue , een neurowetenschapper aan de Brown University die hersen-computerinterfaces ontwikkelt. Het uitreiken naar water en het naar de mond brengen kost ongeveer zeven vrijheidsgraden. De hele arm heeft een orde van 25 vrijheidsgraden. De groep van Donoghue, die toezicht hield op eerdere tests van corticale implantaten bij patiënten, heeft nu twee verlamde vrijwilligers die de DEKA-arm testen. Onderzoekers van APL hebben een tweede armprothese ontwikkeld met een nog groter repertoire aan mogelijke bewegingen en hebben toestemming gevraagd om tests op mensen te starten. Ze streven ernaar om in 2011 te beginnen met het implanteren van patiënten met ruggenmergletsel, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Pittsburgh en Caltech.
Vrijwilligers in deze studie krijgen twee verschillende corticale chips, elk met 100 opname-elektroden. Wetenschappers hopen dat een verdubbeling van het vermogen om naar de hersenen te luisteren voldoende onafhankelijke signalen zal opleveren om complexere bewegingen op de geavanceerde APL-arm mogelijk te maken. Dit is een zeer behendige en antropomorfe arm, zegt Andrew Schwartz , een van de neurowetenschappers die bij het onderzoek betrokken was. De informatiebandbreedte die je nodig hebt om het apparaat te bedienen is een stuk hoger.
De Pittsburgh-onderzoekers zullen ook nieuwe chips testen in combinatie met telemetriesystemen, die een deel van de opgenomen informatie op de chip verwerken voordat deze naar een in de borst geïmplanteerde processor wordt gestuurd. De processor stuurt vervolgens draadloos de arm aan. Huidige versies die bij mensen en apen worden gebruikt, sturen informatie via draden die uit de schedel komen, wat het risico op infectie op de lange termijn verhoogt. Hoewel de nieuwe opstelling enigszins lijkt op die van pacemakers en apparaten voor diepe hersenstimulatie, voert een prothetische arm complexere functies uit dan een pacemaker, en daarom is er meer informatie nodig om deze te besturen. Geen enkel implanteerbaar apparaat heeft een telemetriesysteem dat in staat is tot deze bandbreedte, zegt Schwartz. Deze technologie zal een grote stap zijn.
De Pittsburgh-onderzoekers streven er uiteindelijk naar om ook sensorische mogelijkheden aan de armen toe te voegen, materialen toe te voegen die warmte en andere eigenschappen kunnen voelen en die informatie over te brengen naar een derde chip die is geïmplanteerd in een deel van de hersenen dat sensorische stimuli verwerkt.
Het is nog niet duidelijk wat het hoogste niveau van complexiteit zal zijn in termen van het besturen van de arm. We hopen op minstens 11 vrijheidsgraden, zegt Schwartz. Zijn team heeft algoritmen ontwikkeld die in realtime zeven bewegingsvrijheidsgraden van apen kunnen afleiden. Hoe gaan we naar 20 of 30? We weten het niet, misschien hebben we nieuwe algoritmen nodig, misschien meer elektroden, zegt Schwartz.
Zelfs als de tests succesvol zijn, staan onderzoekers voor een grote uitdaging; ze moeten aantonen dat het invasieve corticale controlesysteem aanzienlijk beter is dan niet-invasieve benaderingen. Geamputeerden die de schoengestuurde interface gebruiken, kunnen dozen oppakken, een boormachine bedienen en zelfs eetstokjes gebruiken. Als je een geamputeerde was, en je kunt dat met schoenen, zou je dan een sensor in je hersenen laten plaatsen? vraagt Donoghue. Het kan een kwestie zijn van persoonlijke voorkeur en het niveau van risico en voordeel dat elke persoon bereid is te tolereren. Misschien wel, want het is natuurlijker en je kunt lopen en andere dingen doen.