В 2009 году команда биоинженеров из Федеральной политехнической школы в Лозанне (EPFL) и Школы перспективных исследований имени Святой Анны в Италии (Scuola Superiore Sant'Anna) разработали новый бионический протез, работающий по технологии сенсорной обратной связи.
Согласно задумке, хирургическим путём электроды в искусственной конечности подключаются к нервам пациента, после чего человек обретает контроль над протезом. Потерявший руку пациент не только сможет управлять бионическим устройством, сжимая пальцы и вращая кистью, но и самостоятельно чувствовать прикосновения через искусственно восстановленное чувство осязания.
После первичных тестов протеза, о которых мы сообщали в феврале 2013 года, ведущий разработчик Сильвестро Мичера (Silvestro Micera) вместе со своими коллегами приступил к испытанию прототипа на пациенте-добровольце.
Девять лет назад датчанин Деннис Аабо Соренсен (Dennis Aabo Sørensen) из-за несчастного случая потерял левую руку, и остатки конечности пришлось ампутировать.
С тех пор пациент носил обычный коммерческий протез, который казался ему очень неудобным, и потому на клиническое испытание бионической руки Мичеры он сразу дал своё согласие.
«Сенсорная обратная связь работала просто невероятно. Я обрёл те чувства, которых был лишён целых девять лет. В ходе испытания мне надели повязку для глаз и вставили затычки для ушей, чтобы проверить именно осязание — и я по-настоящему чувствовал протезом форму предмета, его жёсткость или мягкость. С захватом также не было никаких проблем», — делится впечатлениями Соренсен.
Для достижения такого эффекта биоинженерам пришлось добавить несколько существенных модификаций в первоначальный прототип протеза. К примеру, его оснастили особыми датчиками, которые распознают различного рода информацию о контакте конечности с предметом. Сенсоры измеряют напряжённость в искусственных сухожилиях, контролирующих движения пальцами, и конвертируют напряжение в электрический ток.
Разработчики заметили, что генерируемый импульс грубоват для человеческой нервной системы. Поэтому им понадобилось разработать особую компьютерную программу, которая вывела формулу трансформации изначального импульса в такой заряд, который был бы положительно воспринят настоящими нервами. Правдоподобной имитации осязания удалось достичь после отправки переработанного цифрового сигнала по проводам к четырём электродам.
Так называемые транснейронные электроды имплантировали хирургическим путём в локтевой и срединный пучки нервов (они контролируют движения пальцев) в плече Соренсена. Именно благодаря их высокой чувствительности биоинженеры смогли снизить мощность электрического импульса до минимума, тем самым приблизив его к реальным биологическим процессам в теле человека. Фактически в ходе прикосновения идёт стимуляция отдельных волокон в нервных пучках, что приводит к более тонким ощущениям от осязаемого предмета.
«Это первый случай в истории медицины, когда протез возвращает пациенту с ампутированной конечностью не только контроль, но и реальное чувство осязания. Сначала мы боялись, что чувствительность Соренсена снизится, так как он не пользовался своими нервами более девяти лет, но испытания протеза прошли более чем успешно», — рассказывает Мичера.
В своей статье, опубликованной в журнале Science Translational Medicine, биоинженеры отмечают, что технология сенсорной обратной связи имеет огромный потенциал. Её можно использовать при небольших модификациях для возвращения практически любого чувства — к примеру, слуха. Мичера и его коллеги уже работают над расширением технологии, а коммерциализация нового бионического протеза начнётся в ближайшие годы.
