Viitorul piciorului robotic

Am fost la liceu și la facultate cu un tip care avea un singur picior. De obicei folosea cârje pentru a se deplasa. Era foarte priceput cu ele și se putea mișca la fel de repede pe cât ar putea alerga un om (în ultimii ani, a devenit triatlet și culturist). Avea un picior protetic pe care îl putea atașa, dar nu l-a purtat niciodată. S-a dovedit că avea motive întemeiate.

După absolvirea liceului, un întreg grup dintre noi am campat în parcuri naționale din Statele Unite pentru o excursie tematică de conștientizare a mediului. A fost călătoria vieții și am făcut toate drumețiile pe care le-am putut. Tipul cu un picior a mers bine și de multe ori avea un echilibru mai bun pe un picior și două cârje decât unii dintre noi pe două picioare. Dar pe la jumătatea călătoriei și-a rupt o cârjă. Am uitat cum s-a întâmplat. Trebuie să fi fost ceva major; ei construiesc acele cârje metalice pentru a rezista. Dar acum, pentru a se deplasa, a trebuit să-și folosească piciorul protetic.

Ai putea spune că este total nasol. Cu fiecare pas, va trebui să-și balanseze toată partea corpului înainte, ridicând piciorul. Când lovea din nou pământul, se putea îndoi, glezna se putea flexa și el se putea sprijini în ea pentru echilibru. Dar a fost în mod clar inconfortabil, lent și a necesitat mult efort pentru utilizare. Din fericire, a primit o cârjă nouă trimisă prin poștă și în câteva zile a revenit la viteză.

Au trecut mai bine de 10 ani de când am văzut ultima oară acel picior protetic. Într-o perspectivă în 6 noiembrie Medicină translațională a științeiun număr special dedicat roboticii și neuroproteticii, Michael Goldfarb și colegii de la Departamentul de Inginerie Mecanică din Nashville, Tennessee, au discutat problemele actuale legate de protezarea piciorului, inclusiv multe dintre problemele cu care l-am văzut pe colegul meu de clasă luptându-se și promisiunea și provocările noilor membre robotizate.

Protezele și dispozitivele de mobilitate au parcurs un drum lung, de la lamele de picior pe care alergătorii de elită folosit pentru exoschelete. Acum vin cu propriile lor motoare care rulează pistoanele care înlocuiesc mușchii. Aceste dispozitive din secolul 21 au senzori care pot detecta unghiul genunchiului protetic și presiunea asupra piciorului artificial. Ei pot detecta cât de repede se mișcă proteza. Toate aceste informații sunt introduse într-un controler care acționează ca un sistem nervos central pentru membru, coordonând toate informațiile astfel încât membrul să se miște fără probleme prin spațiu.

Aici ne confruntăm cu o problemă. Membrul se mișcă lin prin spațiu, da. Dar cu ce se mișcă în coordonare? După cum subliniază Goldfarb și colegii, picioarele și membrele protetice anterioare au fost pasive. Se pot mișca și se îndoi, dar se bazează pe purtător pentru a-i propulsa înainte, pentru a „lega” proteza în timp ce își mișcă restul piciorului. Acest lucru necesită mult efort și îmi amintesc că l-am văzut pe colegul meu de clasă răsucindu-și cea mai mare parte a corpului pentru a-și pune proteza. Era clar incomod, dar are un avantaj ascuns. Membrul va ajunge întotdeauna să se miște în coordonare cu restul mișcărilor corpului persoanei.

Când aveți un membru robot, acest lucru devine mai complicat. Poate acționa și reacționa. Dar trebuie să poată face asta împreună cu tine. Una dintre cele mai mari provocări pe care Goldfarb și colegii le-au subliniat a fost cum să integreze membrul robotizat cu mișcările restului corpului. Pentru a face acest lucru, membrul va trebui să-și dea seama ce vrei să facă (ceva care nu este nici măcar un rezultat al gândirii conștiente la majoritatea oamenilor) și apoi să o facă, ajustând presiunea și mișcarea pentru a se potrivi cu ceea ce faci deja. Când faci un pas, trebuie să faci și el. Dar nu o poate face în același timp! Trebuie să fie compensat, doar suficient, pentru a te ține să mergi înainte și să nu îți cadă pe față. Și dacă crezi că mersul pe jos este distractiv, așteaptă până încerci să urmezi scările.

Cum coordonezi un membru protetic? Există mai multe posibilități. Puteți înregistra activitatea de la mușchii din apropiere pentru a prezice mișcarea dorită. Puteți înregistra de la nervii din jur pentru a prelua impulsurile motorii din creier. Ai putea chiar să implantezi electrozi direct în cortexul motor al creierului însuși. Aceste metode de coordonare a creierului și a protezei sunt în curs de dezvoltare, adesea cu rezultate uimitoare. Trebuie doar să observi triumful unei femei paralizate în timp ce ia o sticlă de cafea și ia o înghițitură pentru a crede că viitorul este acum.

Alte îmbunătățiri sunt, de asemenea, în lucru. De exemplu, una dintre părțile mai iritante și mai dificile ale unui membru protetic este efortul necesar pentru a-l deplasa. Când ai de-a face cu un picior protetic, așezarea lui pe pământ este doar jumătate din muncă. De asemenea, trebuie să-l ridici, fără ajutor de la gleznă. Autorii articolului de perspectivă descriu noile dezvoltări pentru a ajuta acest lucru, în special „împingerea cu putere” a piciorului, pentru a ușura biomecanica în timp ce mergeți. Acest lucru va ajuta, de asemenea, la unele dintre problemele pe termen lung asociate cu protezele. Când oamenii lucrează mult timp cu membrele protetice, ajung să compenseze deficiențele proteticei cu alte articulații. Acest lucru înseamnă că mulți oameni ajung să aibă probleme articulare după utilizarea pe termen lung. Îmbunătățirea biomecanicii membrelor ar scădea cantitatea de compensare pe care oamenii trebuie să o facă, scăzând stresul asupra altor articulații.

Oamenii de știință lucrează, de asemenea, pentru a ajuta la echilibru. Persoanele cu picioare protetice cad la fel de des ca persoanele în vârstă. Dacă proteza ta zgârie pământul, să zicem, și te împiedică, ai foarte puține șanse să te prinzi înainte de a cădea. Corectarea automată a piciorului tău nu există. Îmbunătățirea biomecanicii cu lucruri precum împingerea motorizată ar putea ajuta la menținerea mai ușor în poziție verticală, reducând uzura. Ca să nu mai vorbim de îmbunătățiri dacă am putea coordona pe deplin mișcările cu restul corpului.

Pașii pe care i-am făcut în dezvoltarea membrelor robotizate sunt uimitoare din mai multe unghiuri. Progresul în detectarea presiunii, mișcarea automată și echilibrul dezvăluie cât de frumoase sunt membrele noastre. Când vedem îmbunătățirile aduse membrelor robotice, începem să înțelegem cât de complexe sunt mișcările de zi cu zi, câte mișcări minuscule și experiențe senzoriale sunt implicate în fiecare. Cum fiecare mușchi mare și minuscul are opusul său, cum lucrurile pe care le simțim despre panta pământului sau stâncile de sub picioarele noastre ne determină să facem schimbări fulgerătoare pentru a ne menține în poziție verticală și a ne mișca fără probleme.

Evoluțiile pe care le-am făcut în protezare evidențiază cât de mult înțelegem acum despre modul în care ne mișcăm. Ele arată, de asemenea, câte progrese tehnologice am făcut în senzori, motoare și pompe. Cât de sensibili putem face lucrurile și cât de greu le putem face. De la microcipuri care pot fi implantate în creier, până la înlocuirea membrelor și articulațiilor care funcționează fără probleme ani de zile, chiar și în interiorul corpului uman. Fiecare proteză robotică este o capodopera de design, înțelegere biomecanică, neuroștiință, tehnologie și multe altele.

Multe alte îmbunătățiri sunt deja pe cale. Unele au fost implementate în proteze de brațe, de exemplu, iar protezele robotizate de picior apar pe piață. Pe măsură ce domeniul se dezvoltă, sper că într-o zi toți cei care au nevoie de una vor putea folosi protezele cu mișcări complet naturale. Vechiul meu coleg de clasă era destul de rapid în cârje și ar putea spune că nu are nevoie sau nu vrea de noile membre robotizate. Dar pentru cei care o fac, va fi minunat să aibă un membru care acționează și reacționează, care te poate întâlni, pas după pas. Am parcurs un drum lung, dar mai avem de parcurs.