Протез конечности приобретает более естественный контроль благодаря связи руки и мозга
Исследователи прокладывают путь к разработке бионических конечностей, которые пользователи воспринимают как естественные. Они демонстрируют связь между моделями движения рук и моделями управления мотонейронами. Исследование, опубликованное в Science Robotics , также сообщает о применении этих результатов к мягкому протезу руки, который был успешно протестирован людьми с физическими нарушениями.
Исследование представляет собой совместную работу двух исследовательских групп: одной из Istituto Italiano di Tecnologia (Итальянский технологический институт) в Генуе, Италия, под руководством Антонио Бички и одной из Imperial College London (Великобритания), под руководством Дарио Фарины. Это результат проекта «Natural BionicS», цель которого — выйти за рамки модели текущих протезных конечностей, от которых пациенты часто отказываются, поскольку они не реагируют «естественным» образом на их потребности в движении и контроле.
Для того, чтобы центральная нервная система распознала бионическую конечность как «естественную», необходимо, чтобы протез взаимодействовал с окружающей средой так же, как это делает настоящая конечность. По этой причине исследователи полагают, что протезы должны быть разработаны на основе теории сенсомоторной синергии и технологий мягкой робототехники, впервые предложенных группой Антонио Бички в ИИТ, таких как роботизированная рука Soft-Hand.
Если будет создан естественный интерфейс между нашей нервной системой и искусственным телом, его последствия могут выйти за рамки протезирования — например, обеспечить бесшовную интеграцию людей с частями робота для оказания помощи, расширения наших возможностей и расширения наших возможностей.
Исследование впервые показывает, что две фундаментальные структуры, которые организуют наше тело, а именно синергии на уровне спинальных мотонейронов и на уровне поведения рук, связаны между собой. Синергии — это скоординированные паттерны активации мышц и движений суставов человеческого тела.
Играть
00:00
01:14
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Видео, демонстрирующее управление SoftHand Pro-2 на основе синергии MN участником без физических нарушений. Участник исследует возможности захвата и манипулирования в руке с различными объектами. В этом видео показано, как участник исследует пространство управления, не захватывая никаких объектов, и выполняет примеры функционального захвата и манипулирования в руке с различными объектами. Кредит: Science Robotics (2025). DOI: 10.1126/scirobotics.ado9509
Исследователи обнаружили, что позы рук можно интерпретировать как наблюдаемые результаты работы базовых нейронных структур центральной нервной системы. Эти структуры можно получить и расшифровать с помощью усовершенствованных алгоритмов, применяемых к электрическим сигналам, производимым нашими мышцами. Эти сигналы являются периферическим проявлением активности нейронных клеток спинного мозга, которые управляют мышечными сокращениями.
После того, как активность этих клеток расшифрована, можно идентифицировать конкретные группы клеток, лежащие в основе поведения руки. Этот прорыв не только улучшает понимание нейронных механизмов, управляющих моторным контролем , но и открывает новые возможности для разработки более интуитивных и эффективных интерфейсов человек-машина.
Теперь исследователи могут совместно проектировать мультисинергетические роботизированные руки и алгоритмы нейронного декодирования, что позволит пользователям протезов достичь естественного контроля, охватывающего бесконечное количество поз и выполняющего сложные задачи, включая манипуляции руками, что невозможно при использовании других подходов.
В частности, исследователи разработали мягкую протезную руку с двумя степенями приведения в действие, что позволяет ей выполнять позы, обусловленные двумя основными постуральными синергиями. Эта инновационная конструкция была протестирована в сценариях реального времени с 11 участниками без физических нарушений и тремя пользователями протезов.
Для достижения бесшовного управления команда разработала передовой онлайн-метод, который отображает декодированные нейронные синергии в непрерывной работе двухсинергического протеза руки. Результаты показали, что интеграция нейронных и постуральных синергий позволяет осуществлять точный, естественный и скоординированный контроль многопальцевых действий. Этот подход не только обеспечивает более плавные и интуитивные движения, но и представляет собой значительный шаг вперед в создании протезных устройств, которые точно имитируют функциональность и текучесть естественных конечностей.
Подобные достижения имеют огромное значение для улучшения качества жизни пользователей протезов, предоставляя им большую автономность и более естественную связь с искусственными конечностями.