Keven Walgamott had een goed "gevoel" bij het oppakken van het ei zonder het te pletten. Wat voor bijna alle anderen eenvoudig lijkt, kan voor Walgamott een grotere taak zijn, die 17 jaar geleden zijn linkerhand en een deel van zijn arm verloor bij een elektrisch ongeval. Maar hij testte het prototype van een hightech prothetische arm met vingers die niet alleen kunnen bewegen, ze kunnen meebewegen met zijn gedachten. En dankzij een biomedisch technisch team van de Universiteit van Utah, hij "voelde" het ei goed genoeg zodat zijn hersenen de handprothese konden vertellen dat hij niet te hard moest knijpen.

Dat komt omdat het team, onder leiding van universitair hoofddocent biomedische technologie van de Universiteit van Utah Gregory Clark, heeft een manier ontwikkeld om de "LUKE Arm" (zo genoemd naar de robothand die Luke Skywalker in "The Empire Strikes Back" kreeg) na te bootsen hoe een menselijke hand objecten voelt door de juiste signalen naar de hersenen te sturen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in een nieuw artikel, co-auteur van U-promovendus in biomedische technologie, Jacob George, voormalig promovendus David Kluger, Clark en andere collega's in de nieuwste editie van het tijdschrift Wetenschap Robotica .

"We hebben de manier veranderd waarop we die informatie naar de hersenen sturen, zodat het overeenkomt met het menselijk lichaam. En door het menselijk lichaam te matchen, we konden verbeterde voordelen zien, ' zegt George. 'We maken meer biologisch realistische signalen.'

Dat betekent dat een geamputeerde die de prothetische arm draagt, de aanraking van iets zachts of hards kan voelen, beter begrijpen hoe je het moet oppakken, en delicate taken uit te voeren die anders onmogelijk zouden zijn met een standaardprothese met metalen haken of klauwen voor de handen.

"Het bracht me bijna tot tranen, " Walgamott vertelt over het voor het eerst gebruiken van de LUKE Arm tijdens klinische tests in 2017. "Het was echt geweldig. Ik had nooit gedacht dat ik weer in die hand zou kunnen voelen."

Walgamot, een makelaar uit West Valley City, Utah, en een van de zeven proefpersonen aan de Universiteit van Utah, druiven kon plukken zonder ze te pletten, pak een ei zonder het te kraken, en houd de hand van zijn vrouw vast met een gevoel in de vingers dat vergelijkbaar is met dat van een fysiek sterk persoon.

"Een van de eerste dingen die hij wilde doen, was zijn trouwring omdoen. Dat is moeilijk met één hand, "zegt Clark. "Het was erg ontroerend."

Hoe die dingen worden bereikt, is door een complexe reeks wiskundige berekeningen en modellering.

De LUKE-arm

De LUKE Arm is al zo'n 15 jaar in ontwikkeling. De arm zelf is gemaakt van voornamelijk metalen motoren en onderdelen met een doorzichtige siliconen "huid" over de hand. Het wordt gevoed door een externe batterij en is aangesloten op een computer. Het is ontwikkeld door DEKA Research &Development Corp., een in New Hampshire gevestigd bedrijf opgericht door Segway-uitvinder Dean Kamen.

In de tussentijd, het team van de Universiteit van Utah heeft een systeem ontwikkeld waarmee de prothetische arm de zenuwen van de drager kan aanboren, die zijn als biologische draden die signalen naar de arm sturen om te bewegen. Het doet dat dankzij een uitvinding van de biomedische technologie van de Universiteit van Utah, emeritus Distinguished Professor Richard A. Normann, genaamd de Utah Slanted Electrode Array. De array is een bundel van 100 micro-elektroden en draden die worden geïmplanteerd in de zenuwen van de geamputeerde in de onderarm en verbonden met een computer buiten het lichaam. De array interpreteert de signalen van de nog resterende armzenuwen, en de computer vertaalt ze naar digitale signalen die de arm vertellen te bewegen.

Maar andersom werkt het ook. Om taken uit te voeren, zoals het oppakken van voorwerpen, is meer nodig dan alleen de hersenen die de hand vertellen dat hij moet bewegen. De handprothese moet ook leren hoe hij het voorwerp moet 'voelen' om te weten hoeveel druk hij moet uitoefenen, want dat kun je niet achterhalen door er alleen maar naar te kijken.

Eerst, de prothetische arm heeft sensoren in zijn hand die via de array signalen naar de zenuwen sturen om het gevoel na te bootsen dat de hand krijgt als hij iets vastpakt. Maar even belangrijk is hoe die signalen worden verzonden. Het houdt in dat je begrijpt hoe je brein omgaat met overgangen in informatie wanneer het voor het eerst iets aanraakt. Bij het eerste contact met een object, een uitbarsting van impulsen loopt via de zenuwen naar de hersenen en neemt dan af. Dit opnieuw maken was een grote stap.

"Gewoon sensatie bieden is een groot probleem, maar de manier waarop u die informatie verzendt, is ook van cruciaal belang, en als je het biologisch realistischer maakt, de hersenen zullen het beter begrijpen en de prestatie van deze sensatie zal ook beter zijn, ' zegt Clark.

Om dat te bereiken, Het team van Clark gebruikte wiskundige berekeningen samen met geregistreerde impulsen van de arm van een primaat om een ​​benaderend model te maken van hoe mensen deze verschillende signaalpatronen ontvangen. Dat model werd vervolgens geïmplementeerd in het LUKE Arm-systeem.

Toekomstig onderzoek

Naast het maken van een prototype van de LUKE Arm met tastzin, het hele team ontwikkelt al een versie die volledig draagbaar is en niet hoeft te worden aangesloten op een computer buiten het lichaam. In plaats daarvan, alles zou draadloos met elkaar verbonden zijn, geeft de drager volledige vrijheid.

Clark zegt dat de Utah Slanted Electrode Array ook signalen naar de hersenen kan sturen voor meer dan alleen de tastzin, zoals pijn en temperatuur, hoewel het papier vooral aanraking behandelt. En hoewel hun werk momenteel alleen betrekking heeft op geamputeerden die hun ledematen onder de elleboog verloren, waar zich de spieren bevinden om de hand te bewegen, Clark zegt dat hun onderzoek ook kan worden toegepast op degenen die hun armen boven de elleboog hebben verloren.

Clark hoopt dat in 2020 of 2021, drie proefpersonen mogen de arm mee naar huis nemen om te gebruiken, in afwachting van goedkeuring door de federale regelgevende instanties.

Bij het onderzoek zijn een aantal instellingen betrokken, waaronder de U-afdeling Neurochirurgie, Afdeling Fysische Geneeskunde en Revalidatie en Afdeling Orthopedie, de afdeling Organismale Biologie en Anatomie van de Universiteit van Chicago, de afdeling Biomedische Technologie van de Cleveland Clinic, en de neurotechnologiebedrijven Ripple Neuro LLC en Blackrock Microsystems uit Utah. Het project wordt gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency en de National Science Foundation.

"Dit is een ongelooflijke interdisciplinaire inspanning, ", zegt Clark. "We hadden dit niet kunnen doen zonder de substantiële inspanningen van iedereen in dat team."