Στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού έργου Simbionics, μια ομάδα επιστημόνων αναπτύσσει ένα βιονικό προσθετικό μέλος για τη βελτίωση του περπατήματος για ασθενείς μετά από ακρωτηριασμό. Οι καθηγητές του Πανεπιστημίου του Τβέντε, Herman van der Kooij και Massimo Sartori, συμμετέχουν στην ομάδα. Στο έργο συμμετέχει επίσης η Ottobock, μια από τις πιο καινοτόμες κατασκευάστριες εταιρείες τεχνητών μελών.
Οι δύο καθηγητές εμβιομηχανικής του Πανεπιστημίου του Τβέντε επικεντρώνονται στην ανάπτυξη μιας διεπαφής μεταξύ του σώματος και του προσθετικού μέλους, για άμεσο έλεγχο από τον ασθενή, σαν πραγματική επέκταση του σώματος.
«Αυτό το προσθετικό μέλος είναι πραγματικά πολύ καλύτερο από το παλιό μου!», λέει ενθουσιασμένος ο ασθενής Gerard Mast. «Ειδικά όταν ανεβαίνω σκάλες ή κατεβαίνω κλίσεις, βλέπω τεράστια βελτίωση και πλησιάζει πολύ περισσότερο το περπάτημα με το βιολογικό μου πόδι».
Ο Mast έχασε το πόδι του περίπου πριν από ένα χρόνο και τώρα συμμετέχει στην έρευνα. Γύρω από το πόδι του είναι συνδεδεμένη μια συσκευή γεμάτη ηλεκτρονικά μέρη, με πολλά καλώδια που προεξέχουν. Η συσκευή είναι η διεπαφή που συνδέει ηλεκτρόδια στο δέρμα με το προσθετικό μέλος. Τα ηλεκτρόδια εντοπίζουν τη μυϊκή δραστηριότητα στο υπόλοιπο πόδι και μεταφράζουν αυτήν την δραστηριότητα σε κίνηση από το τεχνητό μέλος. Αυτό επιτρέπει στον Mast να ελέγχει απευθείας τις κινήσεις της πρόθεσης, με αποτέλεσμα πιο φυσικό και ελεγχόμενο περπάτημα.
Πείραμα βάδισης
Κατά τη διάρκεια του πειράματος βάδισης, ο Mast είναι δεμένος με μια ζώνη για ασφάλεια, ενώ αρκετές κάμερες παρακολουθούν τις κινήσεις του πάνω σε έναν διάδρομο περπατήματος. Οι επιστήμονες μετρούν τη μυϊκή δραστηριότητα στο κολόβωμα. Ένας από τους στόχους του τεστ είναι ο ασθενής να μάθει πώς να ελέγχει τους υπολειπόμενους μύες στο πόδι του για να κινήσει το προσθετικό μέλος με τον βέλτιστο τρόπο. Ο Mast αισθάνεται άνετα όταν περπατά στον διάδρομο, αλλά απαιτείται ακόμη καλύτερη λεπτομερής ρύθμιση για να επιτευχθεί βέλτιστος έλεγχος.
Ακόμη περισσότερος έλεγχος
«Τα τρέχοντα τεχνητά κάτω άκρα είναι μηχανικές συσκευές που συνδέονται στο κολόβωμα. Μερικές φορές συνδέονται με ελατήρια που συμπιέζονται και απελευθερώνονται για να βελτιώσουν το περπάτημα», λέει ο καθηγητής Massimo Sartori. «Συνήθως λειτουργούν καλά σε εύκολο, επίπεδο έδαφος. Ωστόσο, σε κλίση ή αν ο ασθενής σκοντάψει σε μια πέτρα, δεν ανταποκρίνονται τόσο καλά, αφού απουσιάζουν βέβαια τα αντανακλαστικά για τη διατήρηση και την επαναφορά της ισορροπίας».
Για να ξεπεραστούν αυτά τα μειονεκτήματα, η ομάδα αναπτύσσει ένα εντελώς νέο είδος προσθετικού μέλους που επιτρέπει πολύ περισσότερο έλεγχο, συμπεριλαμβανομένων των αντανακλαστικών για τη διατήρηση της ισορροπίας. Ο Van der Kooij, συν-επικεφαλής του έργου Simbionics, εξηγεί: «Στοχεύουμε στην ανάπτυξη ενός τεχνητού μέλους που πραγματικά είναι μια επέκταση του σώματος. Ηλεκτρικά σήματα, τα οποία παράγονται όταν οι υπολειπόμενοι μύες στο κολόβωμα συσπώνται, λειτουργούν το τεχνητό μέλος. Αυτές οι μυϊκές συσπάσεις ελέγχονται από τον εγκέφαλο. Ο τελικός μας στόχος είναι ένα τεχνητό μέλος που μπορεί να ελέγχεται πλήρως από τον ασθενή.»
Πιο φυσικό περπάτημα
Ως βάση για το νέο τους βιονικό τεχνητό μέλος, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ως αφετηρία τον υφιστάμενο τεχνητό αστράγαλο που ανέπτυξε ο καθηγητής εμβιομηχανικής του MIT και ορειβάτης Hugh Herr. Ο Herr έχασε και τα δύο κάτω άκρα του λόγω κρυοπαγήματος κατά τη διάρκεια μιας αναρρίχησης. Μετά από αυτό το δυσάρεστο γεγονός, επικεντρώθηκε στην επιστήμη και την εμβιομηχανική και εξειδικεύτηκε στα προσθετικά μέλη. Κατέληξε να αναπτύξει ένα τεχνητό μέλος υψηλής τεχνολογίας, που λειτουργεί αυτόνομα, εξοπλισμένο με κινητήρα και μικροεπεξεργαστή. Ο μικροεπεξεργαστής επικοινωνεί με τον ενσωματωμένο κινητήρα και αισθάνεται και ελέγχει τη θέση της άρθρωσης, καθώς και τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτήν.
Το 2016, ο Herr έλαβε τιμητικό διδακτορικό από το UT. Ο σχεδιασμός του τεχνητού μέλους του Herr οδήγησε σε βελτιωμένο και πιο φυσικό περπάτημα σε διάφορα είδη εδάφους. Το τεχνητό μέλος αντιγράφει την κίνηση του βιολογικού ποδιού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και για αναρρίχηση. Ωστόσο, παρά την τεράστια βελτίωση, ούτε και αυτό το τεχνητό μέλος δεν ελέγχεται από τον ασθενή. Επίσης, δεν ενσωματώνει γρήγορα αντανακλαστικά για να αποφευχθούν οι πτώσεις, κάνοντας το περπάτημα σε πιο δύσκολο και απρόβλεπτο έδαφος λίγο πιο επικίνδυνο.
Η ομάδα έργου αποφάσισε να τροποποιήσει το προσθετικό άκρο του Herr περιλαμβάνοντας μια διεπαφή, η οποία ανιχνεύει ηλεκτρικά σήματα από τη σύσπαση των υπολειπόμενων μυών του κολοβώματος και τα μεταφέρει στον κινητήρα. Ο στόχος είναι να επιτευχθεί βέλτιστος έλεγχος του τεχνητού μέλους και βελτιωμένο περπάτημα.
Διεπιστημονική συνεργασία
Για τη δημιουργία ενός βιονικού ποδιού που μπορεί να λειτουργεί σαν να ανήκει στον ασθενή, απαιτούνται νέες τεχνολογίες, αφοσίωση και διεπιστημονική συνεργασία, ώστε να συνδυάζονται η εμβιομηχανική, η φυσιολογία, η ανατομία και η τεχνολογία.
Για την επίτευξη αυτού του πολύπλοκου στόχου, η ομάδα δημιούργησε αρχικά ένα απλουστευμένο ψηφιακό μοντέλο του χαμένου άκρου στον υπολογιστή, συμπεριλαμβανομένων όλων των μυών, τενόντων και αρθρώσεων.
Ο Sartori εξηγεί: «Αν γνωρίζετε πώς λειτουργούν οι μύες και οι τένοντες, μπορείτε να υπολογίσετε πώς οι δυνάμεις που ασκούν μεταφέρονται στις αρθρώσεις.» Στη συνέχεια, αυτό το ψηφιακό άκρο, το οποίο λειτουργεί με έναν υπολογιστικό μικροεπεξεργαστή, συνδέεται ηλεκτρονικά με τους μύες του κολοβώματος και με τους κινητήρες του τεχνητού μέλους.
Φυσική κίνηση
Οι επιστήμονες ανέλυσαν στη συνέχεια πώς τα ηλεκτρικά σήματα από το κολόβωμα ενεργοποιούν το ψηφιακό άκρο. Όταν ο ασθενής ενεργοποιεί αυτούς τους υπολειπόμενους μύες, εντός κλάσματος δευτερολέπτου ένας μικροεπεξεργαστής υπολογίζει τις διαφορετικές δυνάμεις των μυών από το ψηφιακό άκρο στις εικονικές αρθρώσεις. Αυτές οι πληροφορίες στέλνονται στη συνέχεια στο τεχνητό μέλος για να το θέσουν σε κίνηση και να προκαλέσουν μια φυσική κίνηση. Ολόκληρη η αλληλουχία κινήσεων ελέγχεται από τον ασθενή και ξεκινά από τον εγκέφαλο που ενεργοποιεί το κολόβωμα.
Περισσότερες βελτιώσεις
Για να λειτουργήσει αυτό στην πράξη, το εικονικό άκρο συνδέεται με τους μύες και το προσθετικό με προηγμένη τεχνολογία. «Επικεντρωνόμαστε στην ανάπτυξη μιας διασύνδεσης που μεταφέρει σήματα από το σώμα στο εικονικό άκρο και στη συνέχεια στο προσθετικό,» εξηγεί ο Sartori. «Για να εξασφαλίσουμε ότι το προσθετικό άκρο θα μπορεί να μιμηθεί και τα αντανακλαστικά, στο μέλλον θα το εξοπλίσουμε με τεχνητή νοημοσύνη, ώστε να μπορεί να αντιδράσει πολύ γρήγορα εάν ο ασθενής σκοντάψει ή χάσει την ισορροπία του.»
Αλλά το μέλλον μπορεί να φέρει ακόμη περισσότερες βελτιώσεις. Προς το παρόν, ο διασύνδεσμος είναι συνδεδεμένος με το δέρμα για να ανιχνεύει ηλεκτρικά σήματα από τους μύες. Για να ελαχιστοποιήσουν την αναστάτωση για τους ασθενείς, οι επιστήμονες εξετάζουν την ενσωμάτωση των ηλεκτροδίων στους μύες, καθιστώντας τον λιγότερο ενοχλητικό και πιο εύκολο στη χρήση.
Πιο περίπλοκα προσθετικά μέλη
Παρά την τεράστια πρόοδο που έχει σημειωθεί στην ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού βιονικού ποδιού, απαιτείται ακόμα πολλή έρευνα για να τελειοποιηθεί η τεχνολογία. Αυτήν τη στιγμή, η ομάδα αναπτύσσει μια μέθοδο όπου το προσθετικό μέλος ενημερώνει τον ασθενή για τη θέση του ποδιού και τη δύναμη που απαιτείται, χρησιμοποιώντας δονήσεις στο δέρμα. Ο ασθενής μπορεί να μάθει να ερμηνεύει τις δονήσεις και να κάνει γρήγορα τις απαραίτητες διορθώσεις. Το έργο έχει χρηματοδότηση για ακόμη δύο χρόνια και οι ερευνητές σκοπεύουν να αναπτύξουν την τεχνολογία ακόμη περισσότερο, και να τις προσαρμόσουν όχι μόνο στην άρθρωση του αστραγάλου αλλά και σε εκείνη του γονάτου. Το αποτέλεσμα θα είναι ένα πιο περίπλοκο αλλά και πιο αποτελεσματικό τεχνητό μέλος.
Για τον Gerard Mast, που δοκιμάζει το πρωτότυπο, ένα κουραστικός απόγευμα γεμάτος τεστ τελειώνει. Αλλά ο κόπος του είναι για καλό σκοπό: καθώς η τεχνολογία των προσθετικών μελών συνεχίζει να βελτιώνεται, είναι θέμα χρόνου να μπορέσει να χρησιμοποιήσει το νέο προσθετικό πόδι στην καθημερινή του ζωή και να περπατήσει σχεδόν τόσο καλά όσο πριν.
ΠΗΓΗ: https://www.utoday.nl