Bioniskā potīte “emulē dabu”

Mūsdienās Hjū Hers, MIT mediju mākslas un zinātņu asociētais profesors, katru dienu saņem aptuveni 100 e-pasta ziņojumu no cilvēkiem visā pasaulē, kas interesējas par viņa bioniskajām ekstremitātēm.

Ziņojumi plūst no amputētajiem cilvēkiem, kuri meklē protēzes, un no plašsaziņas līdzekļiem, kas veic intervijas. Pēc tam ir studenti, kuri vēlas pievienoties Herra pētniecības grupai. Tehnoloģija iedvesmo jauniešus iesaistīties šajā jomā, kas ir brīnišķīgi, saka Herrs.

Tas liecina par revolucionāro darbu, ko Herr ir paveicis MIT Media Lab pēdējo divu desmitgažu laikā. Pats būdams amputēts, Herrs ir izstrādājis (un nēsājis) bioniskas kāju protēzes, kas, pēc viņa teiktā, līdzinās dabai — atdarina bioloģisko ceļgalu, potīšu un ikru funkcijas un spēku.

Pagājušajā mēnesī Herra TED runa nokļuva virsrakstos, jo Adriana Hasleta-Deivisa, profesionāla dejotāja, kurai pēc 2013. gada Bostonas maratona sprādzieniem tika daļēji amputēta kāja, izmantoja vienu no savām protēzēm, lai rumbētu uz skatuves.

Foto: Braiss Vikmarks

Lielākā daļa šo protēžu ir sasniegušas pasauli, izmantojot Herr starta uzņēmumu BiOM (sākotnēji saukts par iWalk). Kopš 2010. gada uzņēmums ir piedāvājis pasaulē pirmo bionisko pēdu un ikru sistēmu vairāk nekā 900 pacientiem visā pasaulē, tostarp aptuveni 400 kara veterāniem.

Vienmēr ir labi izstrādāt kaut ko tādu, ko cilvēki izmantos. Jā, ir lieliski nodarboties ar zinātni, taču ir arī lieliski redzēt, ka cilvēce izmanto kaut ko tādu, ko paši ir izgudrojuši, saka Herrs, piebilstot: Tehnoloģiju iztulkošana no laboratorijas saglabā inženieru godīgumu.

Sākotnēji Herr pētniecības grupas izstrādātā BiOM protēze, kas nodēvēta par BiOM T2 sistēmu, simulē bioloģisko potīti (un savienoto ikru muskuļu), nodrošinot dabisku potītes funkciju soļu laikā.

Izmantojot ar akumulatoru darbināmu bionisko piedziņu, divi mikroprocesori un seši vides sensori pielāgo potītes stīvumu, jaudu, pozīciju un amortizāciju tūkstošiem reižu sekundē divās galvenajās pozīcijās: Pirmkārt, pie papēža trieciena, sistēma kontrolē potītes stīvumu, lai absorbētu triecienu un virzīt stilba kaulu uz priekšu. Pēc tam algoritmi ģenerē mainīgu jaudu atkarībā no reljefa, lai virzītu lietotāju uz augšu un uz priekšu.

Pielāgojot protēzi pacientiem, protezētāji var ieprogrammēt atbilstošu stīvumu un spēku visos gaitas posmos, izmantojot programmatūru, ko izveidojusi Herr's grupa — process, ko uzņēmums sauc par Personal Bionic Tuning.

Cita starpā sistēma atjauno dabisko gaitu, līdzsvaru un ātrumu; samazina locītavu stresu; un krasi samazina laiku, kas nepieciešams, lai aklimatizētos pie protēzes (kas var ilgt nedēļas vai mēnešus ar parastajiem modeļiem). Bieži vien dažu minūšu laikā pacients staigā, pat skraida, saka Herrs, BiOM galvenais tehnoloģiju speciālists.

Sistēma, Herr saka, varētu arī palīdzēt novērst osteoartrītu, locītavu stāvokli, ko izraisa vecums un kāju sasprindzinājums, nodrošinot teļu un potīšu spēku un atbalstu pat vecumdienās.

Nokļūšana no sola līdz gultai

Deviņdesmitajos un 2000. gados Herrs, kurš pēc 1982. gada kāpšanas negadījuma zaudēja abas kājas, sāka pētīt parasto protēžu trūkumus un matemātiski modelēt potītes locītavas darbību ejot.

Cita starpā potīte kļūst stingrāka un nodrošina piedziņu (aizmugurējā kājā) soļa laikā, mazinot ietekmi uz priekšējo kāju un mazinot slodzi uz kāju locītavām un muguru. Kad amputētie valkā parastās protēzes, kas balstās uz atsperēm vai hidrauliku un neizdala vairāk enerģijas, nekā absorbē, viņi staigā lēnāk, patērē vairāk vielmaiņas enerģijas un izjūt lielāku muskuļu un skeleta sistēmas stresu, kas izraisa locītavu osteoartrītu.

Zinātnisko un inženiertehnisko izpēti, kas galu galā noveda pie mūsdienu BiOM protēzes, veica Herra pētniecības grupa MIT Media Lab. Kopš 2003. gada grupa ir izstrādājusi un izgatavojusi daudzus protēžu prototipus, lai pārbaudītu hipotēzes par cilvēka un mašīnas mijiedarbību. Vairāki no tiem - prototipu dizaini ar atklātām mehāniskām daļām un cilpveida vadiem - ir pastāvīgi izstādīti MIT Media Lab.

Vēl šodien Herrs atceras, ka pirmo reizi iegājis grupas pirmajā bioniskās kājas prototipā un pēc tam atgriezies pie tradicionālās protēzes.

Tas bija tik dziļi kā tad, kad jūs ejat cauri lidostai un uzbraucat kustīgajam celiņam. Kad jūs izkāpjat un atgriežaties pie parastās pastaigas, jūs domājat: 'Iešana ir patiešām nogurdinoša un lēna,' viņš saka. Tā tas bija, pārejot no mūsu darbināmās sistēmas uz pasīvām parastajām sistēmām. Tāpēc es zināju, ka klīniski tur ir maģija.

Herra pieredze ar datoru kontrolētas ceļa locītavas komercializēšanā, ko viņa grupa izstrādāja Islandes uzņēmumam Ossur, iedvesmoja viņu 2006. gadā laist klajā iWalk. Ceļgalā, ko šobrīd izmanto tūkstošiem pacientu visā pasaulē, tiek izmantotas dzelzs daļiņas, kas suspendētas eļļā starp tērauda plāksnēm un ar tām tiek manipulētas. ar elektromagnētiskā lauka palīdzību, lai lietotāja gaitas laikā nostiprinātos vai atslābinātu.

Izmantojot Ossur, notika apjomīga, laikietilpīga tehnoloģiju nodošana, taču MIT palaišana nodrošināja, cita starpā, ka galvenā izgudrotāju grupa turpinās ieviest jauninājumus un produktu komercializēt.

Es vienmēr domāju par to, kā samazināt laiku un ieguldījumus, lai nokļūtu no sola līdz gultai, saka Herrs. Uzņēmuma dibināšana ir viens no veidiem, kā palielināt šo efektivitāti. Un tas ir ideāli piemērots kaislībai: izgudrotājiem ļoti rūp savi izgudrojumi, un šī aizraušanās un apņemšanās veicina komerciālo progresu.

Mūsdienu BiOM sistēmai ir veiktas vairāk nekā 20 iterācijas, ko finansē no aptuveni 50 miljoniem USD no riska kapitāla un dotācijām, un uzņēmums turpina izstrādāt un ieviest jauninājumus. BiOM potīšu sistēma ne tikai uzlabojas katru mēnesi, gadu no gada, bet uzņēmums plāno arī laist telpā papildu bioniskos produktus, lai sniegtu palīdzību lielākam cilvēku skaitam, saka Herrs.

Osteoartrīts, humanoīdu dizains un personīgā bionika

BiOM plašāks mērķis ir novērst tādus dārgus apstākļus kā osteoartrīts. Mums novecojot, ātro muskuļu šķiedru zudums un pārmērīgs spēks izraisa potītes un ikru muskuļu spēka zaudēšanu, izraisot sāpīgus locītavu traucējumus, piemēram, ceļgala osteoartrītu un muguras sāpes, ko daļēji izraisa neērta, klibojoša gaita. Vecāka gadagājuma cilvēku vidū locītavu osteoartrīts ir galvenais kustību traucējumu cēlonis.

Vismaz amputēto pacientu vidū, Herr saka, BiOM varētu palīdzēt, aprīkojot vecāka gadagājuma cilvēkus ar kāju protēzēm, kas biomehāniskās veiklības un kontroles ziņā ir līdzvērtīgas jauna pieauguša cilvēka kājām. Mēs atrodamies situācijā, kad 18 gadus vecu ikru muskuļus pacientiem varam uzlikt neatkarīgi. viņu vecuma, mazinot locītavu osteoartrīta problēmu visās populācijās, saka Herrs.

Herr saka, attīstot protēzes, šī tehnoloģija varētu arī novest pie inovācijām cieši saistītā jomā: humanoīdu robotikā. Iedomājieties nākotni, kurā mums būs tehnoloģiski optimālas bioniskās pēdas, potītes, ceļgali un gurni. Varētu vienkārši saskrūvēt šos gabalus kopā, lai izveidotu humanoīdu aparatūras platformu, saka Herrs.

Bet galu galā gan BiOM, gan Herra grupas darbs MIT, viņš saka, ir paredzēts, lai palīdzētu mainīt personīgās bionikas ideju, izjaucot līnijas starp elektromehāniku un cilvēka ķermeni. Piemēram, viņa MIT grupa cita starpā strādā pie bioniskajām ekstremitātēm, kuras var kontrolēt ar prātu un piesaistīt ķermenim.

Kad mēs virzāmies uz šo gadsimtu, tehnoloģija kļūs tuvāk mūsu ķermenim, saka Herrs. Bioniskā dizaina pieeja ir balstīta uz bioloģisko zinātni, kuras mērķis ir fundamentāli izprast, kā darbojas mūsu ķermeņi un smadzenes, un pārvērš šīs zināšanas tehnoloģijā, kas atspoguļo šos principus, novedot pie pasaules, kurā tehnoloģija, jo tā ir iedzimta cilvēka, būtībā izzūd.

paslēpties