Команда исследователей из Чикагского университета и Университета Джонса Хопкинса разрабатывает протез руки, через который можно было бы получать настоящие тактильные ощущения от прикосновения к любым поверхностям и чувствовать их температуру. В случае удачи этот протез с 4 миллионами различных рецепторов станет самым чувствительным среди всех аналогичных разработок. Ранее ученые с помощью обезьян выявили схему нейронной активности, с помощью которой осуществляется управление конечностью.
Как рассказывает "Компьютерра.ру", за последние пятнадцать лет появилось множество новых прототипов различных протезов, которые из-за их высокого технологического уровня и принципов работы стали называть бионическими. Одни модели обладают невероятными степенями свободы за счет наличия более двух десятков искусственных суставов и позволяют двигать каждым пальцем по отдельности. Другие управляются мысленными командами через интерфейс "мозг - компьютер" почти таким же образом, как и собственные конечности. Стать более полноценной заменой всем им мешает общий недостаток - невозможность осязать.
Отсутствие тактильной чувствительности у любых протезов мешает воспринимать их как часть себя. Независимо от срока использования у большинства людей они продолжают ощущаться как внешний персонализированный инструмент. Однако отсутствие обратной связи с протезами - гораздо более серьезная проблема, чем простой психологический дискомфорт. Без нее трудно определить температуру предмета, его массу и необходимую для удержания силу сжатия.
Конечно, обычные протезы частично позволяют оценивать прилагаемые усилия, но это всегда происходит косвенным образом. Например, через меняющееся ощущение сопротивления в простых механических моделях или изменение звука сервоприводов у моторизированных. Этого явно недостаточно для уверенного использования.
В случае удачи созданный в Университете Джонса Хопкинса протез станет самым чувствительным среди всех аналогичных разработок. На нем разместят более сотни датчиков давления и температуры. Их количество кажется внушительным, если не сравнивать с кожей. Всего в ней содержится около 4 миллионов различных рецепторов, а их плотность измеряется десятками и сотнями на квадратный сантиметр.
Биомедицинский инженер Роберт Кирш, работающий в частном Кливлендском университете, высоко оценил важность разработки протезов с функцией осязания на страницах издания Nature: "Вероятно, это следующая большая революция, которая должна произойти".
Эксперименты на обезьянах
Чикагские ученые прежде всего хотят создать совершенную систему, которая позволила бы восстановить сенсорику. Проведя серию экспериментов с обезьянами, чья сенсорная система очень похожа на человеческую, Слиман Бенсмайя, доцент кафедры биологии организма и анатомии в университете Чикаго, и его коллеги выявили схему нейронной активности, с помощью которой и осуществляется управление конечностью, рассказывают "Вести.ru" со ссылкой на недавний пресс-релиз университета.
Первая серия экспериментов была направлена на определение расположения пучков нейронов, ответственных за ощущение прикосновения в конкретной части руки. Животных научили определять несколько форм физического контакта пальцами. Затем исследователи подключили электроды к участкам головного мозга, ответственным за ощущения от каждого пальца. Таким образом они заменили физические прикосновения электрическими импульсами, посылая сигналы в определенные зоны мозга. Судя по поведению обезьян, разницы они не почувствовали.
Во второй серии экспериментов ученые сосредоточились на воспроизведении ощущения давления. Для этого они разработали алгоритм, генерирующий то "количество" электрического тока, которое вызвало бы нужное ощущение давления. Так же, как и в прошлый раз, животные сравнивали настоящие физические ощущения с воздействием электрических импульсов.
На финальной стадии Бенсмайя и его коллеги изучали последовательности сигналов нервной системы, имеющие место во время комплексных действий. Так, они заметили, что захват и последующее отпускание некого объекта вызывает всплеск активности в мозге обезьяны, который также можно воспроизвести с помощью электрической симуляции.
Полученные данные ученые суммировали и оформили в виде рекомендаций к созданию революционного протеза, возвращающего сенсорные ощущения утерянной конечности. По словам Бенсмайи, для успеха необходима обратная связь с мозгом через нейронный интерфейс. Она обеспечит не только надежность, но и безопасность протеза.
