S napětím sledujeme nejnovější trendy a proud informací posíláme k vám…

Biorobotická ruka s vlastním nervovým systémem bude vnímat dotek

Datum: 07.07.2018

roboticka_ruka

Výzkumní pracovníci vyvíjejí první biorobotickou ruku, která bude skutečně cítit a také se přizpůsobí jejímu prostředí. Tento „živý“ robot bude mít svůj vlastní periferní nervový systém, který přímo propojí robotické senzory a akční členy.

Hmatový vjem je často považován za samozřejmost. Pro někoho, kdo přišel o svou ruku nebo nohu, je ztráta tohoto pocitu dotyku velice zničující. Zatímco vysoce sofistikované protézy s komplexními pohyblivými prsty a klouby napodobující téměř každý pohyb jsou již k dispozici, zůstávají pro uživatele obtížné a nepřirozené. To je zejména proto, že jim chybí reálný hmatový zážitek, který doprovází každý pohyb. Tento prázdný pocit vede k omezenému použití. Vědci z floridské univerzity tak vyvinuli protézu, která skutečně „cítí“ své prostředí!

Hmatový vjem je často považován za samozřejmost. Pro někoho, kdo přišel o svou ruku nebo nohu, je ztráta tohoto pocitu dotyku velice zničující. Zatímco vysoce sofistikované protézy s komplexními pohyblivými prsty a klouby napodobující téměř každý pohyb jsou již k dispozici, zůstávají pro uživatele obtížné a nepřirozené. To je zejména proto, že jim chybí reálný hmatový zážitek, který doprovází každý pohyb. Tento prázdný pocit vede k omezenému použití. Vědci z floridské univerzity tak vyvinuli protézu, která skutečně „cítí“ své prostředí!

Přesně o to se snaží multioborový tým vědců z Florida Atlantic University (FAU) a University of Utah School of Medicine. Společně vyvíjejí robotickou ruku, která se bude rozvíjet a přizpůsobovat svému prostředí. Tento „živý“ robot bude mít svůj vlastní peri­fer­ní nervový systém přímo spojující robotic­ké senzory a akční členy. Fakulta inže­nýrství a výpočetní techniky na FAU vede víceoborový tým, který získal čtyřletý grant ve výši 1,3 milionu dolarů od amerického institutu pro biomedicínské zobrazování a bioinženýrství a institutu zdraví pro speciální projekt s názvem „Virtuální neuroprotéza: Obnovení autonomie pro osoby trpící neurologickým onemocněním.“

S odbornými znalostmi v oblasti robotiky, bioinženýrství, behaviorálních věd, regenerace nervů, elektrofyziologie, mikrofluidních zařízení a ortopedických operací, vytváří výzkumný tým živou cestu z dotykového pocitu robota přímo do mozku člověka po amputaci ruky, jenž bude mít zcela pod kontrolou ovládání robotické ruky. Platforma pro neuroprotézy umožní týmu prozkoumat, jak mohou neurony spolupracovat, aby se regeneroval pocit dotyku v umělé končetině.

Jádrem tohoto náročného projektu je špičková robotická ruka a paže vyvinutá v laboratoři biorobotiky na Fakultě inženýrství a informa­tiky FAU. Stejně jako lidské prsty, je i robotická ruka vybavena četnými senzorickými receptory, které reagují na změny v prostředí. Řízena člověkem, může cítit změny tlaku, interpretovat informace, které přijímá, a interagovat s různými objekty. Může upravit svou přilnavost založenou na hmotnosti nebo křehkosti uchopeného objektu. Ale skutečnou výzvou je zjistit, jak tyto informace vrátit zpět do mozku člověka pomocí živých reziduálních nervových cest, které nahrazují ty, které byly poškozeny nebo zničeny nějakým traumatem.

„Když se periferní nerv přeruší nebo poškodí, využívá bohatou elektrickou aktivitu, kterou pro svou obnovu vytvářejí hmatové receptory. Chceme prozkoumat, jak mohou senzory prstů pomoci regenerovat poškozené nebo přerušené nervy,” řekl Erik Engeberg, Ph.D., hlavní výzkumník a docent na oddělení strojírenství FAU a ředitel laboratoře BioRobotics při FAU. „Abychom toho dosáhli, budeme přímo propojovat tyto živé nervy in vitro a pak je každodenně elektricky stimulovat se senzory z robotické ruky, abychom zjistili, jak nervy rostou a regenerují, zatímco je ruka ovládána osobami bez této končetiny.”

Pro tuto studii nebudou neurony uchovávány v konvenčních petriho miskách. Namísto toho budou umístěny do biokompa­tibilních komor, které poskytují živné prostředí napodobující základní funkci živých buněk. Sarah E. Du, Ph.D., spolupracující výzkumná pracovnice a odbornice na vznikající oblast mikrofluidik, vyvinula tyto drobné přizpůsobené umělé komory s vestavěnými mikroelektrodami. Výzkumný tým bude schopen stimulovat neurony elektrickými impulsy z ruky robota, aby se mohly znova obnovit po úrazu. Vědci budou v reálném čase morfologicky a elektricky měřit, kolik nervových tkání bylo obnoveno.Spolupracující výzkumný pracovník Jianning Wei, Ph.D. spolu s docentem biomedicínské vědy na College of Medicine FAU a odborníkem na neurální poškození a regeneraci Charlesem E. Schmidtem, připraví neurony in vitro, budou pozorovat jejich pohyb a regeneraci po zranění. Tato „virtuální“ metoda poskytne výzkumnému týmu několik příležitostí k testování a dalšímu retestování nervů bez poškození subjektů.

Pomocí elektroencefalogramu (EEG) pro detekci elektrické aktivity v mozku zkoumá odbornice na elektrofyziologii a neurální, behaviorální a kognitivní vědy Emmanuelle Tognoli, Ph.D., jak se hmatová informace z robotických senzorů přenáší do mozku, aby rozlišovala scénáře s úspěšným nebo neúspěšným funkčním obnovením dotekového smyslu. Jejím cílem je porozumět tomu, jak chování napomáhá regeneraci nervů a jak tato regenerace nervů napomáhá chování.Jakmile nervové impulsy z dotykových senzorů robota projdou mikrofluidní komorou, jsou poslány zpět k lidskému uživateli, který manipuluje s robotickou rukou. To se provádí se zvláštním zařízením, které přeměňuje signály pocházející z mikrofluidních komor na regulovatelný tlak na manžetu umístěnou na zbývající části ramene osoby po amputaci. Uživatelé budou vědět, zda příliš silně stlačují objekt nebo ztrácejí svůj úchop.

Engeberg také spolupracuje s dr. Douglasem T. Hutchinsonem, profesorem na oddělení ortopedie na Lékařské fakultě Univerzity v Utahu, která se specializuje na chirurgii rukou a ortopedii. Vyvíjejí soubor úkolů a behaviorálních neuronových ukazatelů výkonnosti, které nakonec odhalí, jak podpořit zdravý pocit doteku v případě náhrady robotickou rukou u amputací a u lidí se ztrátou končetin. Výzkumný tým nyní hledá post-doktorandského výzkumného pracovníka s multidisciplinární zkušeností, aby mohl pracovat na tomto průlomovém projektu.

„Tento grant Národního institutu zdraví pomůže našemu víceoborovému týmu vědců řešit důležitou výzvu, která postihuje miliony lidí po celém světě,” říká Stella Batalama, Ph.D., děkanka a profesorka Fakulty inženýrství a informatiky FAU. „Poskytnutím lepšího porozumění o tom, jak napravit poranění nervů a trauma, budeme schopni pomáhat pacientům obnovit motorickou funkci po amputaci. Tento výzkum má také velmi široké uplatnění u lidí, kteří trpí jinými formami neurologického onemocnění, jako jsou například mrtvice nebo poranění míchy.”

Počáteční fáze tohoto projektu podpořil Institut pro snímání a vestavěné síťové systémy (I-SENSE). Výzkumníci také pracují ve spolupráci s I-SENSE a Brainovým institutem, což jsou dva výzkumné pilíře Florida Atlantic University.

Zdroj: Florida Atlantic University

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

5 × pět =