Шестой палец

Так называемые роботизированные конечности обычно используются в качестве протезов или замены нефункционирующей конечности. Недавно исследователи из Калифорнийского университета и Университетского колледжа Лондона в качестве эксперимента предложили команде здоровых добровольцев в течение определенного периода применять в быту кибернетический «третий большой палец». Результаты, опубликованные в журнале Science Robotics, получились весьма интересными и впечатляющими.

Еще в 2012 году специалисты из Университета Брауна (США), Главного госпиталя Массачусетса, Гарвардской медицинской школы, Германского института роботостроения и компании DEKA Research and Development Corp. построили так называемую роботическую руку, которая позволяет управлять различными устройствами практически силой мысли.

Принцип ее действия был следующим: в мозг имплантируется 4‑миллиметровый электронный нейрочип, который передает на компьютер сигналы, которые затем превращаются в программные команды для подключенного устройства. В ряде экспериментов участвовала парализованная 58‑летняя женщина.

На первом этапе она научилась управлять медиапроигрывателем iPod, а затем смогла без посторонней помощи выпить кофе из термоса с трубочкой… Это произошло с ней впервые за 15 лет.

Вторым испытуемым стал 66‑летний мужчина, полностью обездвиженный после инсульта. Он также успешно управлял кибернетической конечностью. Несмотря на то что пациент в силу своего состояния не мог говорить, он смог выразить свои впечатления, при помощи движений глаз выделяя буквы алфавита. «Я просто воображал, что двигаю рукой, и рука двигалась туда, куда я хотел», – сообщил этот человек.

Ранее группа сотрудников Калифорнийского университета в течение двух лет наблюдала за пациентом, парализованным ниже шеи, которого научили управлять роборукой посредством имплантатов, вживленных в зону двигательного контроля в мозгу. «А что, если использовать механический манипулятор не как замену утраченной или недействующей конечности, а как дополнение к действующим?» – задумались ученые.

В ходе нового исследования 20 человек, прошедших специальное обучение, должны были носить изготовленный на 3D-принтере дополнительный киберпалец, закрепленный на руке со стороны мизинца, от 2 до 6 часов в течение пяти дней. При этом кибернетический манипулятор функционировал в двух режимах и управлялся по беспроводной связи с помощью датчиков давления, в свою очередь прикрепленных к ступням под большими пальцами ног.

Испытуемых просили выполнять как обычные повседневные действия, так и специальные тренировочные задания. В том числе они должны были решать достаточно сложные задачи, например, помешивать кофе в чашке или строить башню из деревянных брусков и блоков, причем порой им приходилось делать это с закрытыми глазами.

После тренировочного этапа участникам эксперимента предложили ряд тестов, а некоторым из них просканировали мозг при помощи функциональной томографии (фМРТ). Тестирование, которое включало в себя, в частности, захват, перемещение и бросание различных предметов, показало, насколько улучшились моторика и координация искусственного пальца, а также ловкость, с которой испытуемые им пользовались.

Выяснилось, что практически все добровольцы через какое-то время начинали ощущать киберпалец как часть собственного тела, и им даже не приходилось контролировать его движения, они пользовались им автоматически.

В ходе сканирования испытуемым предлагалось для чистоты эксперимента снять искусственный палец и двигать поочередно пальцами одной и второй руки. Оказалось, что параметры нейронной активности в сенсомоторной области коры больших полушарий при использовании той руки, на которой до этого носили киберпалец, отличались от параметров в случае использования второй руки.

В первом случае после снятия дополнительного пальца активность стала чуть менее интенсивной. Это свидетельствует о том, что ранее мозг уже подстроился под ношение «лишнего» манипулятора.

По словам авторов работы, когда мы берем в руки какой-то предмет, то сначала анализируем его посредством зрения, а потом уже с помощью других органов чувств. Например, так называемый проприоцептивный канал помогает нам понять, где расположены те или иные части нашего тела, даже если мы не можем их видеть.

В свою очередь чувство осязания помогает нам установить момент контакта с объектом, а ощущение давления при этом контакте – понять, насколько крепко мы держим объект. В случае с искусственными манипуляторами, когда мы дотрагиваемся до чего-либо, главным является визуальный канал. Но при имплантации в часть мозга, отвечающую за обработку сенсорной информации, двух электродных решеток у людей появлялась иллюзия, что их ладонь и пальцы к чему-то прикасаются (тогда как на самом деле прикосновения осуществлял электронный палец).

Парализованный пациент, о котором говорилось выше, пользовался роборукой, не испытывая при этом каких-либо сенсорных ощущений, за исключением визуальных. Однако в части новых тестов ученые устанавливали дополнительную тактильную обратную связь между рукой и искусственным манипулятором.

Во второй же части эту систему намеренно отключали. Тестирование показало, что при добавлении осязательной составляющей эффективность работы с манипулятором резко повышалась. Так, испытуемые быстрее выполняли задачи, связанные с тем, чтобы взять, переместить и опустить предмет. Если же система осязания была выключена, участники тратили гораздо больше времени на то, чтобы расположить руку для захвата предметов.

Ведущий автор разработки, инженер Дэни Клод из Калифорнийского университета, считает, что данное исследование крайне важно для успешного внедрения технологий аугментации, когда роботехнические устройства заменяют или дополняют человеческие конечности.

А его коллега Паулина Калиба уверена, что такие технологии могут оказаться полезными в самых различных областях. Так, подобные манипуляторы вполне способны заменить живого ассистента при хирургических операциях.

Ирина ШЛИОНСКАЯ