Имплантируемые кремниевые чипы вводят новую эпоху гаптической обратной связи в протезирование
Протезиты прошли долгий путь от моделей дерева и железа прошлых веков. Благодаря технологическим достижениям, протезирование теперь может дать владельцу новое чувство контроля с реакциями на мышечные движения и нервные сигналы. Исследователи теперь работают над протезированием, которое может выполнять мелкие моторные навыки.
Протезирование происходит на протяжении большей части человеческой истории. Одним из старейших зарегистрированных протезов является большой палец, датированный примерно 950-710 гг. До н.э. В течение 15-го века рыцари смогли продолжить свою боевую карьеру с помощью ручного протезирования железа. С этого начала стали использоваться сталь, дерево, пластик и углеродное волокно.
Смиренные начала: ранний человеческий протезный носок. Изображение предоставлено Джоном Бодсуортом
Железные руки помогали рыцарям средневековья продолжать свою карьеру. Изображение предоставлено Wikipedia
Независимо от того, предназначены ли протезы для эстетических целей или физическая необходимость, чтобы носитель продолжал двигаться, работать и играть как обычно, исследователи постоянно ищут способы улучшить существующие проекты. Часто исследовательские центры вокруг новых текстильных изделий, таких как графен, и новые возможности стали возможными благодаря гибким чипам и небольшим моторам.
Улучшение протезной способности и снижение затрат
Prensilia создала роботизированную руку серии IH2 Azzurra (PDF), которая может быть подключена к протезному плечу. Серия IH2 Azzurra представляет собой антропоморфные руки человека с встроенным приведением в действие, а также сенсорные и контрольные системы для репликации реальных человеческих движений рук. Рука обменивается данными через интерфейс RS232 или USB и имеет встроенные контуры сервоконтроллера 1 кГц, чтобы обеспечить дальнейшую настройку.
Для некоторых, однако, сделать рабочий протез недостаточно. Стоимость протеза может натолкнуться на десятки тысяч, а протез не длится вечно. В 2013 году Robohand создал и выпустил 3D-печатную роботизированную руку с файлами с открытым исходным кодом на Thingiverse. Стоимость составляет около 1000 долларов США для создания протеза, что составляет часть стоимости других вариантов протеза.
Готовый трехмерный печатный Robohand. Изображение предоставлено Robohand
С 2013 года они изготовили сотни протезов с печатными материалами для алюминия и медицинского оборудования и шинами. Все проекты 3D-печати доступны для тех, кто хочет попробовать распечатать их самостоятельно.
Улучшение контроля с помощью имплантируемых чипов
В этом месяце imec представила имплантируемый тонкий кремниевый чип для интуитивного протезирования, созданный в тандеме с исследователями из программы IMPRESS (Implantable Multimodal Peripheral Recording and Stimulation System) Университета Флориды. Команда подошла к проекту с целью создания системы с замкнутым циклом для будущих технологий протезирования. Недавние достижения в области протезирования дали владельцу способность захватывать и манипулировать объектами, но imec хочет сделать еще один шаг, предоставив пользователю различные стимуляции и ощущения.
Прототип представляет собой ультратонкий чип с бикомпактной, герметичной и гибкой упаковкой. Он также включает в себя 64 электрода (с возможностью 128). Именно это большое количество электродов позволяет стимулировать и записывать.
Игла, прикрепленная к чипу, позволяет вставлять упаковку и прикреплять ее внутри нервного пучка. Для сравнения, текущая технология обертывается вокруг нервного пучка, а не вставлена. Вставка электрода непосредственно в пучок нервов увеличит контроль пользователя по их протезной руке или руке.
«Используется новая биосовместимая технология инкапсуляции микросхем, основанная на укладке нанослоев с превосходными свойствами диффузионного барьера, чередующимися с очень тонкими полимерными слоями с отличным механическим поведением», объясняет Мааике Оп де Бек, руководитель программы imec. «Конечным результатом является ультратонкое гибкое электронное устройство с толщиной, сравнимой с толщиной человеческого волоса, что в конечном итоге подходит для минимально инвазивной имплантации».
Новая ультратонкая (35 мкм) чипа imec. Изображение предоставлено imec
Rizwan Bashirullah является доцентом по электротехнике и вычислительной технике в Университете Флориды и директором программы IMPRESS. По его словам, «эти усилия направлены на создание таких новых интерфейсов периферических нервов с большим количеством каналов, плотностью электродов и информационной стабильностью, что в значительной степени обеспечивается технологическими инновациями imec».
Исследователи продолжают изучать достижения в протезировании в немалой степени, потому что они могут помочь вернуть владельцу чувство автономии и нормальности. Технологические достижения обеспечивают непрерывное развитие протезной способности.