Современные бионические конечности уже давно позволяют людям не только ходить, но и бегать и подниматься по лестнице. Однако большинство из них полагается на заранее определенные алгоритмы. Другими словами, создатели протезов разработали режимы ходьбы, подходящие для того или иного вида деятельности, между которыми пользователь затем может выбирать. Однако, в отличие от естественных движений тела, это требует осознанного мышления.

Новая роботизированная нога может полностью контролироваться головным и спинным мозгом, позволяя людям, потерявшим голень, ходить почти так же быстро, как те, у кого не было ампутации, пишет Nature News.

В клиническом исследовании приняли участие 14 человек. Семеро из них получили новейший протез, остальные участники передвигались на стандартных роботизированных ногах. Результаты показали, что первые могли ходить на 41% быстрее. У них также было лучшее равновесие и способность менять скорость, подниматься по лестнице и перешагивать через препятствия.

Бионическая конечность использует компьютерный интерфейс, который усиливает нервные сигналы от мышц оставшейся части ноги и позволяет владельцу перемещать протез собственными мыслями и естественными рефлексами.

"Это первое исследование, в котором демонстрируются естественные модели ходьбы с полной нейронной модуляцией, когда мозг человека на 100% управляет бионическим протезом, а не роботизированным алгоритмом, — объясняет соавтор исследования Хью Герр, биофизик из Массачусетского технологического института. — Несмотря на то, что конечность сделана из титана, силикона и всех этих различных электромеханических компонентов, она ощущается и движется естественно".

Герру ампутировали обе ноги после того, как он попал в метель во время ледолазания на гору Вашингтон в Нью-Гэмпшире в 1982 году. Он говорит, что рассматривает возможность использования такого устройства в будущем.

Мышцы встречаются с машиной

Большинство существующих бионических протезов полагаются на заранее заданные алгоритмы управления движением и могут автоматически переключаться между предопределенными режимами для различных условий ходьбы.

Усовершенствованные модели помогли людям с ампутациями более свободно ходить, бегать и подниматься по лестнице, однако робот, а не пользователь, сохраняет контроль над движением ног, и устройство не ощущается частью тела.

Будучи преисполнены решимости изменить это, Герр и его коллеги разработали интерфейс, который управляет роботизированной конечностью с помощью сигналов от нервов и мышц, оставшихся после ампутации.

В их клиническое исследование вошли 14 участников с ампутациями ниже колена. Прежде чем надеть роботизированное устройство, семеро из них перенесли операцию по соединению пар мышц в оставшихся участках ног.

Эта хирургическая техника, которая создает так называемый мионевральный интерфейс агонист-антагонист (AMI), направлена ​​на воссоздание естественных движений мышц так, чтобы сокращение одной растягивало другую. Это помогает уменьшить боль, сохранить мышечную массу и повысить комфорт при использовании бионической конечности.

Сама бионическая нога включает в себя протез лодыжки со встроенными датчиками и электродами, прикрепленными к поверхности кожи. Они улавливают электрические сигналы, вырабатываемые мышцами в месте ампутации, и отправляют их на небольшой компьютер для расшифровки. Нога весит 2,75 килограмма, что соответствует средней массе естественной нижней конечности.

Быстрые улучшения

Чтобы протестировать систему, участники практиковались в использовании своих новых бионических ног в общей сложности по шесть часов. Затем исследователи сравнили их результаты при выполнении различных задач с результатами семи других участников, которым были сделаны обычные операции и протезы.

AMI увеличил частоту мышечных сигналов в среднем до 10,5 импульсов в секунду по сравнению с примерно 0,7 импульсами в контрольной группе. Хотя это эквивалентно только 18% мышечных сигналов в биологически неповрежденных мышцах (около 60 импульсов в секунду) участники смогли полностью контролировать свои протезы и ходили на 41% быстрее, чем представители контрольной группы. Их пиковая скорость соответствовала скорости людей без ампутаций при ходьбе по ровной поверхности по коридору длиной 10 метров.

"На самом деле мне показалось удивительным, что при столь ограниченном обучении они смогли добиться таких хороших результатов", — говорит Леви Харгроув, нейроинженер из Северо-Западного университета в Чикаго.

Исследование опубликовано в Nature.