Роботизированные протезы: Бионические протезы: на что они способны, и когда мы станем киборгами?

Содержание

Бионические протезы в наше время

Позвонить

+7 (900) 029-50-10 ДЮТТ
+7 (904) 808-60-10 Кванториум Челябинск
+7 (3519) 33-07-37 Кванториум Магнитогорск
+7 (351) 369-08-13 Кванториум Златоуст
+7 (35163) 2-45-85 Кванториум Троицк
+7 (35134) 4-22-81 IT-Куб Южноуральск
+7 951 806 3486 IT-Куб Сатка
+7 (3519) 33-08-08 IT-Куб Магнитогорск
+7 951-787-67-82 IT-Куб Кыштым
+7 (35146) 92 716 IT-Куб Снежинск
+7 9000 670 186 IT-Куб Миасс
+7 (351) 218-11-16 IT-Куб Челябинск

Часто задаваемые вопросы

  • Родителям и детям
  • Роботы
  • Техническое творчество
  • Программирование
  • IT

06.04.2020

В современном обществе ежегодно проводится более одного миллиона ампутаций конечностей из-за аварий, войн, сердечно-сосудистых заболеваний, опухолей или врожденных патологий. Сегодня Андрей Захлебин, наш педагог дополнительного образования, расскажет, чем может в этих случаях помочь робототехника.

— Роботизированный протез конечности — хорошо налаженная область исследования, которая объединяет передовые науки, такие, как: мехатроника, программирование. Интеллектуальное считывание сигналов необходимо для достижения более высокой точности положения протеза в пространстве. При этом протез сохраняет физический внешний вид ампутированного органа.

Роботизированные протезы необходимы, чтобы заменить отсутствующие конечности. Их задача — восстанавливать утраченные функции и обеспечивать эстетичный внешний вид. Основными аспектами являются усиление социального взаимодействие в обществе и продуктивная работа человека с ампутированной конечностью. 

С развитием сенсорных технологий в последние несколько десятилетий был сделан значительный скачок в этой области. Большая часть работы все еще находится на стадии исследования, и в ближайшие годы ожидается дальнейшая научно-исследовательская работ. Конечной целью является создание устройства, которое может генерировать движения, подобные человеческим.

Если подводить итоги, то можно выделить несколько видов протезов, которые отличаются друг от друга. Чтобы восстановить простые и элементарные функциональные способности руки, нужно применить рабочую модель верхней конечности. Для преодоления сложных движений чаще всего используют активный функциональный протез. Подобные механизмы являются довольно сложными и стоят дороже.

Данные протезы работают по принципу: когда человек с ампутацией хочет пошевелить конечностью, мозг генерирует соответствующие сигналы, необходимые для управления мышцами, которые передаются по нервам. Так как отсутствует «приемник», сигнал уходит в никуда. Поэтому стала задача перехватить эти сигналы для дальнейшего управления протезом. Но есть ряд проблем.

В американском Хьюстонском университете проводили эксперименты со снятием моторных нервных сигналов методом электроэнцефалографии и с помощью электродов, установленных на голове. Сложность электроэнцефалографии в том, что при снятии всех сигналов необходимо найти нужный для управления ампутированной конечностью.

К бионическим вариантам протезов принято относить приспособления, работающие от внешнего источника энергии. Функционирует протез руки от сигнала, который возникает при сократительной функции мышцы.

Готовность один день: 6 апреля «Кванториум» занимается онлайн!

Когда жизнь бьет ключом. В детском технопарке «Кванториум» состоялся «SmartWeek»

Антиспам поле. Его необходимо скрыть через css

Ваше имя

Электронная почта

Оценка

Пожалуйста, оцените по 5 бальной шкале

Ваше сообщение

Вам понравилось? Расскажите о своем опыте своим друзьям в социальных сетях. Пусть им понравится тоже!

что это и как они работают

Сейчас современный электронный протез руки или ноги не воспринимается как что-то экзотическое. А как насчет протеза самого сложного и важного для человека органа?

Алексей Паевский

Если человек потерял в результате травмы руку или ногу, медицина еще с древности предлагала заменить потерю протезом. Со временем протезы становились все совершеннее — от деревяшки Джона Сильвера до сложных бионических конструкций, управляющихся нервными импульсами от естественных нервных окончаний человека или через электроэнцефалограмму. Сейчас, если у человека отказывает печень или почка, если гибнет сердце — их можно заменить искусственным органом или трансплантировать донорский. Заменяют кожу, суставы, волосы и многое другое. Тем не менее существует один орган, о протезировании которого речь пока не идет. Это мозг.

Не занимайтесь самолечением! В наших статьях мы собираем последние научные данные и мнения авторитетных экспертов в области здоровья. Но помните: поставить диагноз и назначить лечение может только врач.

Действительно, иногда после инсульта «отказывает» крошечный участок головного мозга, но и это приводит к ужасающим последствиям — потере памяти, параличу и т. д. Можно ли заменить протезом хотя бы участок мозга?

Вспомнить всё

Вообще, под словом нейропротезы понимают две разные вещи. Первая — это роботизированные протезы, которые управляются имплантированными в мозг электродами, они помогают полностью парализованным больным. Вторая — это когда электроды подводятся к сохранившимся остаткам нервных волокон, шедших когда-то к утраченной конечности.

Однако такие нейропротезы на территорию пораженного мозга не вторгаются. Первую попытку предпринял в 2012 году американский невролог Теодор Бергер, создавший протез средней части гиппокампа. Правда, только у крыс и весьма своеобразный. В гиппокамп крыс ввели несколько десятков электродов. Часть из них «снимала» электрическую активность, часть позволяла стимулировать электрическими импульсами нейроны. Потом крыс научили запоминать, в какой из кормушек лежит еда. Параллельно следили за активностью гиппокампа в те моменты, когда животное принимало правильное (и неправильное) решение, устанавливая, какая часть гиппокампа «отвечала» за память о месте расположения лакомства.

Повреждение этого места приводило к тому, что крыса забывала о том, куда положили ее обед. Однако после стимуляции поврежденного участка электродами (при помощи специального чипа) животное вспоминало о своих успехах и находило еду. Более того, если животное просто забывало (такое случается и с нами, правда?), то стимуляция гиппокампа с помощью чипа тоже приводила к «включению» памяти.

Подобрать код

Чтобы правильно стимулировать гиппокамп, нужен особый «код активации» — электрическая активность «входящего» импульса. Для этого Бергер измерял активность всего гиппокампа во время поиска кормушки с едой. И именно для этого нужен чип, который передает активационный код с «входящей» зоны на зону памяти. И нужна еще специальная математическая модель, которая «вычленяет» нужный сигнал по снимаемой электроэнцефалограмме и передает его в чип. Значит ли это, что все-таки можно будет заменить весь мозг, подсмотрев коды активации для всех навыков организма? В обозримом будущем вряд ли.

Распутать провода

Однако создать какие-то нейроимпланты для человеческого мозга, которые помогут «обходить» пораженные при инсульте зоны (а та пресловутая средняя часть гиппокампа, кстати, очень часто поражается при инсульте), вполне возможно в ближайшие десять лет, и несколько научных коллективов в мире уже трудятся над этим. Существует несколько глобальных проектов по картированию мозга, постепенно расшифровывается коннектом — порядок соединения друг с другом всех нейронов мозга (к слову, вариантов коннектома больше, чем атомов во Вселенной), начинают изучаться и картироваться и вспомогательные клетки мозга — глия, составляющая около 40% нашего главного органа. Возможно, лавинообразное накопление всех этих данных поможет через несколько десятилетий заменить если не весь мозг, то некоторые его части.

адаптивных роботизированных протезов — MIT Media Lab

адаптивных роботизированных протезов — MIT Media Lab

Найдите людей, проекты и т. д.

Роман Столяров

9 сентября 2020 г.

Люди

  • Роман Столяров

    Ассистент-исследователь

Проекты

  • Адаптивный к рельефу местности протез нижней конечности

Группы

​

Меня зовут Роман Столяров, и для своей кандидатской работы в Media Lab я разработал адаптивную систему управления для роботизированных протезов ног. В то время как современные протезы позволяют передвигаться людям с ампутированными ногами, способ передвижения, которым они передвигаются, часто утомителен, неудобен и обременителен для их неповрежденных суставов. В худшем случае неровная геометрия местности — от неровных тротуаров до труднопроходимых пешеходных троп — может быть затруднена или невозможна для навигации с помощью обычных протезов, что обременяет подвижность, независимость и ощущение работоспособности пользователя. Моя работа была направлена ​​на то, чтобы помочь людям с ампутациями чувствовать себя максимально здоровыми и мобильными, позволяя им беспрепятственно ходить независимо от рельефа местности.

Как член исследовательской группы по биомехатронике, я разработал способ управления роботизированным протезом, который позволяет пользователю более естественно ходить по разным поверхностям. Помимо повышения мобильности и комфорта, эта система управления также делает ходьбу более симметричной, снижает риск падения и снижает воздействие на биологические суставы. В свою очередь, это снижает риск хронических болей в спине и остеоартрита суставов, состояний, от которых страдают многие люди с ампутациями ног.

В отличие от большей части предыдущей работы в этой области, моя дипломная работа привела к созданию более простой, интуитивно понятной системы управления, которая лучше адаптируется к походке данного человека. Это позволяет системе быстро адаптироваться к различной геометрии рельефа и делает устранение неполадок при неправильной классификации относительно простым. Кроме того, поскольку пользователь может легче понять, как работает наша система, у него гораздо больше шансов добиться стабильной и надежной работы.

Креатив Коммонс

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International

Кредит:

MIT Media Lab

Креатив Коммонс

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International

Кредит:

MIT Media Lab

Люди с ампутациями, которые никогда не ходили с роботизированными протезами, часто скептически относятся к ним, впервые увидев их — по сравнению с обычными протезами, они увеличивают массу и объем и кажутся неуклюжими, когда вы впервые надеваете их. Но тогда мы попросили бы этих людей пройтись по устройствам. Пока они шли, мы настраивали программное обеспечение устройства, чтобы оно адаптировалось к рельефу местности почти так же, как это делают биологические конечности. Наши роботизированные протезы способны выполнять ряд реакций, например, отталкивать ногу пользователя от земли в нужный момент во время ходьбы или указывать на палец ноги, когда он спускается по лестнице. Когда мы получали этот контроль в самый раз, наступал прекрасный момент осознания, который можно было увидеть на лице человека: впервые после ампутации он чувствовал не то, что он хромает, а то, что он идет. — О-о-о, теперь я понял! — восклицали они. «Я действительно чувствую, что это помогает мне ходить!» Нет ничего более вознаграждающего, чем это восклицание, этот взволнованный взгляд, когда человек, наконец, может использовать свое тело в полной мере.

Крис Шаллал, стажер MSRP, который тестировал протез, сказал: «Самый запоминающийся день в моей жизни — это работа с Романом Столяровым над новым протезом голеностопного сустава Мэтью Карни с электроприводом TF-08. протестировал его алгоритм обнаружения местности, который позволил мне подниматься и спускаться по лестнице, преодолевать возвышенности и ходить с гораздо большей легкостью».

Вероятно, самая сложная часть работы связана с сочетанием человеческой изменчивости и индивидуальной чувствительности человека. Люди ходят по-разному, и походка одного человека может меняться в зависимости от множества условий, как внутренних, так и внешних. В то же время способов неправильного или неудобного управления роботизированным протезом гораздо больше, чем правильных. Таким образом, возникают взаимосвязанные проблемы разработки систем управления, которые одновременно применимы к широкому кругу людей и точно адаптируются к условиям, в которых данный пользователь чувствует себя комфортно и получает помощь.

Еще одним сложным аспектом этой работы является определение и количественная оценка улучшений. Люди часто сообщают о том, что чувствуют себя менее комфортно, даже если цифры, описывающие их походку, выглядят более нормальными, или более комфортными, даже если цифры не совсем совпадают. Как биомедицинские ученые и инженеры, мы должны постоянно учитывать субъективную обратную связь человека относительно комфорта, в то же время помня, что комфорт не обязательно приводит к самому здоровому результату. Например, человек может привыкнуть ходить прихрамывая, но эта хромота может повысить вероятность развития остеоартрита в его компенсирующей конечности. Разрабатываем ли мы более удобные системы контроля или системы контроля, предотвращающие болезни? Ответ, как мы обнаружили, обычно лежит где-то посередине.

В будущем мы хотели бы расширить наши технологии адаптации к местности на ампутации выше колена (поскольку сейчас технология реализована только для ампутаций ниже колена). Мы также считаем, что эта работа может применяться для управления экзоскелетами с электроприводом в оборонных, реабилитационных или даже развлекательных целях. В более общем плане в ближайшие несколько десятилетий произойдет постепенное слияние биологического мира (людей) и синтетического мира (роботов). Хотя многие люди усвоили социализированный страх перед робототехникой, связывая их с опасными научно-фантастическими видениями, такими как Терминатор, в конечном итоге робототехника будет широко использоваться в приложениях, которые помогают или реабилитируют людей — не как устрашающие формы вне нас, а второстепенные по отношению к людям формы. всегда помогая людям, и всегда под человеческим контролем.

Связанный контент

Публикация
Исследования

Отслеживание поступательного движения суставов ног для
Расширенное прогнозирование задач ходьбы

Столяров Р. М., Бернетт Г. и Герр Х. (2017). Поступательное отслеживание движений суставов ног для улучшенного прогнозирования задач ходьбы. IEEE Transactions по биомедицинской инженерии, 1-1. doi:10.1109/tbme.2017.2718528

Статья, июнь 2017 г.

в биомехатронике

#робототехника #здоровье #взаимодействие человека и машины +2 ещё

Публикация
Исследования

Конструкция и предварительные результаты упругого привода с серией реактивных сил для бионических протезов колена и голеностопного сустава

М. Э. Карни, Т. Шу, Р. Столяров, Дж. Ф. Дюваль и Х. М. Херр, «Проектирование и предварительные результаты упругого привода серии силы реакции для бионических протезов коленного и голеностопного суставов», в IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics, vol. 3, нет. 3, стр. 542-553, август 2021 г., doi: 10.1109/TMRB.2021.3098921.

Академический доклад, июль 2021 г.

в биомехатронике

#робототехника #дизайн #взаимодействие человека и компьютера +2 ещё

Артикул
Исследования

Аашини Шах, один из 13 студентов, аспирантов и выпускников Массачусетского технологического института, получивших стипендии Фулбрайта в 2022–2023 годах

Спонсируемая Государственным департаментом США студенческая программа Фулбрайта предлагает гранты более чем в 150 странах.

через Новости Массачусетского технологического института · 20 мая 2022 г.

в биомехатронике

Публикация
Исследования

Примитивы углового момента для ходьбы человека: биомеханика и управление

М. Попович и А. Энглхарт.
Примитивы углового момента для ходьбы человека: биомеханика и управление,
Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам, том. 2, стр. 1685–1691, 2004.

Материалы, октябрь 2004 г.

в биомехатронике

#робототехника #здоровье #взаимодействие человека и машины +2 еще


{{# каждое изображение}}

{{/каждый}}

Предыдущий

Следующий

из

{{# каждое изображение}}

{{ заглавие }}

{{{ заголовок }}}

{{/каждый}}

Применение интерфейсов мозг-компьютер для управления роботами и протезами рук

Обзор

. 2020;168:87-99.

doi: 10.1016/B978-0-444-63934-9.00008-1.

Марко Вилела
1
 , Ли Р. Хохберг
2

Принадлежности

  • 1 Инженерная школа и Институт изучения мозга им. Карни, Брауновский университет, Провиденс, Род-Айленд, США.
  • 2 Инженерная школа и Институт изучения мозга им. Карни, Брауновский университет, Провиденс, Род-Айленд, США; Центр нейрореставрации и нейротехнологий, Медицинский центр по делам ветеранов, Провиденс, Род-Айленд, США; Центр нейротехнологий и нейровосстановления, Массачусетская больница общего профиля, Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США. Электронный адрес: leigh_hochberg@brown. edu.

  • PMID:

    32164870

  • DOI:

    10.1016/В978-0-444-63934-9.00008-1

Обзор

Марко Вилела и др.

Handb Clin Neurol.

2020.

. 2020;168:87-99.

дои: 10.1016/B978-0-444-63934-9.00008-1.

Авторы

Марко Вилела
1
 , Ли Р. Хохберг
2

Принадлежности

  • 1 Инженерная школа и Институт изучения мозга им. Карни, Брауновский университет, Провиденс, Род-Айленд, США.
  • 2 Инженерная школа и Институт изучения мозга им. Карни, Университет Брауна, Провиденс, Род-Айленд, США; Центр нейрореставрации и нейротехнологий, Медицинский центр по делам ветеранов, Провиденс, Род-Айленд, США; Центр нейротехнологий и нейровосстановления, Массачусетская больница общего профиля, Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США. Электронный адрес: [email protected].

  • PMID:

    32164870

  • DOI:

    10.1016/В978-0-444-63934-9.00008-1

Абстрактный

Интерфейсы мозг-компьютер (BCI) могут улучшить качество жизни людей с тяжелыми двигательными нарушениями. BCI улавливают активность мозга пользователя и переводят ее в команды для управления эффектором, таким как компьютерный курсор, роботизированная конечность или устройство функциональной электростимуляции. Полное ловкое манипулирование роботизированными и протезными руками с помощью системы BCI было проблемой из-за неотъемлемой необходимости декодировать многомерные и желательно в реальном времени управляющие команды от нейронной активности пользователя. Тем не менее, такая функциональность является фундаментальной, если роботизированные или протезные конечности, управляемые BCI, должны использоваться для повседневной деятельности. В этой главе мы рассмотрим, как исследователи НКИ решили эту проблему и как новые решения могут улучшить взаимодействие пользователей с роботами-эффекторами.


Ключевые слова:

БрейнГейт; внутрикорковый; Протез; Робот.

© 2020 Elsevier B.V. Все права защищены.

Заявление о конфликте интересов

Отказ от ответственности Ответственность за содержание этой главы лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения Департамента по делам ветеранов или правительства США.

Похожие статьи

  • Система роботизированной руки с приводом от мозга, использующая неинвазивный гибридный мозг-компьютерный интерфейс и общую стратегию управления.

    Цао Л., Ли Г., Сюй Ю., Чжан Х., Шу С., Чжан Д.
    Цао Л. и др.
    Дж. Нейронная инженерия. 2021 5 мая; 18 (4). doi: 10.1088/1741-2552/abf8cb.
    Дж. Нейронная инженерия. 2021.

    PMID: 33862607

  • Управление системой роботизированной руки с 7 степенями свободы с помощью BCI на основе SSVEP.

    Чен Х, Чжао Б, Ван Ю, Сюй С, Гао Х.
    Чен Х и др.
    Int J Neural Syst. 2018 Окт;28(8):1850018. дои: 10.1142/S0129065718500181. Epub 2018 12 апр.
    Int J Neural Syst. 2018.

    PMID: 29768990

  • Обучение пользователей хирургической робототехнике на основе BCI.

    Оливьери Э., Барреси Г., Маттос Л.С.
    Оливьери Э. и др.
    Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 2015 авг; 2015: 4918-21. дои: 10.1109/ЕМВС.2015.7319495.
    Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 2015.

    PMID: 26737395

  • Интерфейсы мозг-компьютер в реабилитационной медицине.

    Бокбрейдер М.А., Франсиско Г., Ли Р., Олсон Дж., Солинский Р., Бонингер М.Л.
    Бокбрадер М.А. и соавт.
    PM R. 2018 Sep;10(9 Suppl 2):S233-S243. doi: 10.1016/j.pmrj. 2018.05.028.
    ПМ Р. 2018.

    PMID: 30269808

    Обзор.

  • Двунаправленные интерфейсы мозг-компьютер.

    Хьюз С., Эррера А., Гонт Р., Коллинджер Дж.
    Хьюз С. и др.
    Handb Clin Neurol. 2020;168:163-181. doi: 10.1016/B978-0-444-63934-9.00013-5.
    Handb Clin Neurol. 2020.

    PMID: 32164851

    Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Настоящее и будущее нейроинтерфейсов.

    Валериани Д., Санторо Ф., Иенса М.
    Валериани Д. и соавт.
    Передний нейроробот. 2022 11 октября; 16:953968. doi: 10.3389/fnbot.2022.953968. Электронная коллекция 2022.
    Передний нейроробот. 2022.

    PMID: 36304780
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Обучение на основе интерфейса мозг-машина для улучшения функции верхних конечностей после инсульта: метаанализ рандомизированных контролируемых исследований.

    Се YL, Ян YX, Цзян Х, Дуань XY, Гу LJ, Цин W, Чжан Б, Ван YX.
    Се Ю.Л. и соавт.
    Фронтальные нейроски. 2022 3 авг; 16:949575. doi: 10.3389/fnins.2022.949575. Электронная коллекция 2022.
    Фронтальные нейроски. 2022.

    PMID: 35992923
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Кортиколимбическая пластичность, управляемая интеллектуальными устройствами, в когнитивно-эмоциональной реструктуризации связанных с космосом нейропсихиатрических заболеваний и травм.

    Кларк КБ.
    Кларк КБ.
    Жизнь (Базель). 2022 4 февраля; 12 (2): 236. doi: 10.3390/life12020236.
    Жизнь (Базель). 2022.

    PMID: 35207523
    Бесплатная статья ЧВК.

    Обзор.

  • Повышение ставок для кортикальных зрительных протезов.

    Бошан М.С., Боскинг В.