Više od pet milijuna ljudi u svijetu kojima su amputirani gornji ekstremiteti uzda se u protetiku. Sve je više neuroprostetika, visoko artikuliranih bioničkih udova, projektiranih tako da osjete zaostale mišićne signale i robotski oponašaju njihove namjeravane pokrete. No, visoka tehnologija ima svoju cijenu. Neuroprostetika može koštati desetke tisuća dolara ili eura i izrađena je oko metalnih kostura, s električnim motorima koji mogu biti teški i kruti.

Ruka od elastomera

Inženjeri s MIT-a i Sveučilišta Jiao Tong u Šangaju dizajnirali su meku, laganu i potencijalno jeftinu neuroprotetičku ruku koja omogućava da se svakodnevne aktivnosti, poput zatvaranja kovčega, sipanja soka ili maženja mačke, obavljaju podjednako dobro - a u nekim slučajevima i bolje nego s tvrdom neuroprostetikom.

Njihova pametna ruka mekana je i elastična, teži oko pola kilograma, a izrada ne košta više od 500 dolara. Uz to, iznenađujuće je izdržljiva i brzo se oporavlja nakon udarca čekićem ili gaženja automobilskim kotačem. 

"Ovo još nije proizvod, ali performanse su već slične ili superiorne postojećoj neuroprostetici. Ova mekana proteza mogla bi biti dostupna svima pa i ljudima s niskim primanjima", kaže Xuanhe Zhao, profesor strojarstva, građevinarstva i zaštite okoliša na MIT-u. 

Poput lika iz crtića

Savitljiv novi dizajn podsjeća na lik iz animiranog filma "Big Hero 6". Umjetna ruka izrađena je od mekog, rastezljivog materijala, u ovom slučaju od komercijalnog elastomera EcoFlex. Protetika se sastoji od pet prstiju nalik balonima, a u svaki su ugrađena vlakna nalik zglobnim kostima u stvarnim prstima. A svi prsti povezani su s 3D otisnutim "dlanom" u obliku ljudske ruke.

Umjesto da prste kontroliraju pomoću ugrađenih elektromotora, kao što to radi većina neuroprostetika, istraživači su upotrijebili jednostavan pneumatski sustav za precizno napuhavanje prstiju i savijanje u određenim položajima. Ovaj sustav, uključujući malu pumpicu i ventile, može se nositi oko struka, što značajno smanjuje težinu proteze.

Razvijen je i računalni model kako bi željeni položaj prsta povezao s odgovarajućim tlakom koji bi crpka morala primijeniti da bi postigla taj položaj. Razvijen je i kontroler koji usmjerava pneumatski sustav za napuhavanje prstiju, u položajima koji oponašaju pet uobičajenih zahvata, uključujući skupljanje dva i tri prsta zajedno i stiskanje šake.

Algoritmi dekodiraju mišićne signale

Pneumatski sustav prima signale od elektromiografskih senzora (EMG) za mjerenje električnih signala koje generiraju neuroni za kontrolu mišića. Senzori su postavljeni na otvoru proteze, gdje se pričvršćuju na ekstremitete. Senzori mogu pokupiti signale iz preostalog ekstremiteta, na primjer kada amputirani zamišlja šaku.

Pomoću algoritma koji "dekodira" mišićne signale i povezuje ih s uobičajenim vrstama hvatanja, programirali su kontroler za pneumatski sustav. Kad čovjek s amputacijom zamisli da drži vinsku čašu, senzori hvataju mišićne signale koje regulator pomoću crpke prevodi u odgovarajući stisak. 

Korak dalje

Istraživači su otišli i korak dalje kako bi omogućili taktilne povratne informacije, značajku koja nije ugrađena u većinu komercijalnih neuroprostetika. Na vrhove prstiju pričvrstili su senzore tlaka koji pri dodiru ili stiskanju proizvode proporcionalni električni signal. Svaki je senzor ožičen na određeno mjesto na udu amputiranog, tako da korisnik može "osjetiti" kada se, na primjer, palac proteze pritisne u odnosu na kažiprst.

Istraživači su podnijeli zahtjev za patent i trenutno rade na poboljšanju osjeta i raspona pokreta.

"Zasad imamo četiri vrste zahvata, a bit će ih i više. Ovaj se dizajn može poboljšati boljom tehnologijom dekodiranja, mioelektričnim nizovima veće gustoće i kompaktnijom crpkom koja se može nositi na ručnom zglobu. Također želimo prilagoditi dizajn za masovnu proizvodnju", najavljuje Zhao.