แขนขาไบโอนิคที่ควบคุมด้วยสมองกำลังเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นเรื่อยๆ

คำว่า "ไบโอนิค" เสกภาพไซไฟของมนุษย์ที่ได้รับการยกระดับให้อยู่ในระดับเหนือมนุษย์ เป็นเรื่องจริงที่ความก้าวหน้าทางวิศวกรรม เช่น มอเตอร์และแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น ร่วมกับคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ หมายความว่าระบบกลไกและอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นไม่เป็นอุปสรรคต่ออุปกรณ์เทียมขั้นสูงอีกต่อไป แต่ภาคสนามประสบปัญหาในการบูรณาการเครื่องจักรอันทรงพลังเหล่านี้เข้ากับร่างกายมนุษย์

นั่นเริ่มมีการเปลี่ยนแปลง การทดลองเมื่อเร็วๆ นี้ทดสอบเทคนิคบูรณาการใหม่หนึ่งเทคนิค ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผ่าตัดสร้างคู่กล้ามเนื้อขึ้นใหม่ ซึ่งทำให้ผู้รับสัมผัสถึงตำแหน่งและการเคลื่อนไหวของแขนขาไบโอนิค สัญญาณจากกล้ามเนื้อเหล่านั้นควบคุมข้อต่อของหุ่นยนต์ ดังนั้นอุปกรณ์เทียมจึงอยู่ภายใต้การควบคุมของสมองของผู้ใช้อย่างสมบูรณ์ ระบบช่วยให้ผู้ที่ถูกตัดขาส่วนล่างสามารถเดินได้เป็นธรรมชาติมากขึ้นและนำทางไปตามทางลาด บันได และสิ่งกีดขวางได้ดีขึ้น นักวิจัยรายงานเมื่อเดือนกรกฎาคมยาธรรมชาติ-

โดยทั่วไปแล้ววิศวกรมองว่าชีววิทยาเป็นข้อจำกัดคงที่สำหรับการออกแบบทางวิศวกรรม กล่าวโดย Tyler Clites วิศวกรชีวภาพช่วยพัฒนาเทคนิคนี้เมื่อหลายปีก่อนขณะอยู่ที่ MIT “แต่ถ้าเรามองว่าตัวถังเป็นส่วนหนึ่งของระบบที่ต้องออกแบบควบคู่ไปกับเครื่องจักร ทั้งสองจะสามารถโต้ตอบกันได้ดีขึ้น”

มุมมองดังกล่าวกำลังขับเคลื่อนคลื่นเทคนิคที่ปรับโครงสร้างตัวถังใหม่เพื่อให้ทำงานร่วมกับเครื่องจักรได้ดียิ่งขึ้น ไคลต์ส ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่ UCLA เรียกเทคนิคดังกล่าวว่า "กายวิภาค"แยกแยะพวกมันออกจากไบโอนิคแบบดั้งเดิม- “ปัญหาที่เรากำลังแก้ไขไม่ใช่ปัญหาทางวิศวกรรม” เขากล่าว “วิธีที่ร่างกายได้รับการจัดการในระหว่างการตัดแขนขาไม่ได้ปล่อยให้อยู่ในตำแหน่งที่สามารถควบคุมแขนขาที่เราสร้างขึ้นได้”

ในแนวทางกายวิภาคศาสตร์ กระดูกถูกนำมาใช้เพื่อสร้างจุดยึดที่มั่นคง เส้นประสาทถูกเปลี่ยนเส้นทางเพื่อสร้างสัญญาณควบคุมสำหรับแขนขาของหุ่นยนต์หรือส่งสัญญาณตอบรับทางประสาทสัมผัส กล้ามเนื้อถูกเลือกใช้ร่วมกันเป็นเครื่องขยายสัญญาณทางชีวภาพหรือต่อเข้าที่เพื่อให้แหล่งสัญญาณมากขึ้น เทคนิคเหล่านี้ล้วนปรับปรุงการเชื่อมต่อและการสื่อสารระหว่างแขนขาของหุ่นยนต์และระบบประสาทของมนุษย์-SN: 2/9/24-

อุปกรณ์ที่ใช้กายวิภาคศาสตร์สามารถออกจากห้องแล็บและเข้าสู่โลกการค้าและคลินิกได้ช้า แต่บางคนกล่าวว่าสาขานี้กำลังทำให้เราใกล้ชิดกับวิสัยทัศน์ไซไฟของแขนขาไบโอนิคที่บูรณาการและควบคุมโดยสมองได้อย่างราบรื่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีความก้าวหน้ามากขึ้นในหัวมุมถนน

มาดูกันว่านักวิจัยตั้งเป้าที่จะแต่งงานกับร่างกายและเครื่องจักรอย่างไร

การสร้างกล้ามเนื้อใหม่

Proprioception — การรับรู้ของร่างกายในอวกาศ — เป็นความรู้สึกที่ยุ่งยากในการฟื้นฟู แต่-SN: 9/9/19- กล้ามเนื้อส่งสัญญาณไปยังสมองของเราว่าร่างกายของเราอยู่ที่ไหน เคลื่อนไหวอย่างไร และเผชิญกับแรงกดดันอะไรบ้าง สัญญาณเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากกล้ามเนื้อคู่ที่เรียกว่าคู่ตัวเอกและคู่ต่อสู้ โดยที่กล้ามเนื้อหนึ่งหดตัวขณะที่อีกส่วนหนึ่งยืดออก

ในการตัดแขนขาแบบดั้งเดิม ความคิดเห็นที่สำคัญนี้จะถูกละทิ้งไป แต่เทคนิคที่รายงานในการศึกษาเดือนกรกฎาคม ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อ AMI หรือที่เรียกว่า AMI นั้น ได้ทำการผ่าตัดสร้างคู่แบบกดและดึงเหล่านี้ขึ้นใหม่ และใช้สัญญาณที่สร้างขึ้นเพื่อควบคุมข้อต่อเทียม ขั้นตอนนี้ช่วยให้ผู้รับ "รู้สึก" แขนขาเทียมของตนได้

“เมื่อขาเทียมเคลื่อนไหว บุคคลนั้นจะรู้สึกถึงการเคลื่อนไหวนั้นเป็นความรู้สึกรับรู้ตามธรรมชาติ” Hugh Herr นักชีววิทยาจาก MIT ผู้พัฒนาเทคนิคนี้ร่วมกับ Clites และศัลยแพทย์ของทีม Matthew Carty กล่าว

การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้เป็นส่วนหนึ่งของการทดลองทางคลินิกที่ Herr และเพื่อนร่วมงานกำลังดำเนินการอยู่ ซึ่งได้ทดสอบเทคนิคดังกล่าวกับผู้ที่ถูกตัดแขนขาใต้เข่าจำนวน 14 ราย ผู้เข้าร่วมเจ็ดรายได้รับการผ่าตัด AMI ในขณะที่คนอื่นๆ มีการตัดแขนขาแบบมาตรฐาน นักวิจัยพบว่าผู้รับระบบที่ใช้ AMI เพิ่มความเร็วในการเดินประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์จาก 1.26 เมตรต่อวินาทีเป็น 1.78 เมตรต่อวินาที ซึ่งมีอัตราที่เทียบเคียงได้กับผู้ที่ไม่มีการตัดแขนขา

การขยายกระดูก

ข้อร้องเรียนที่พบบ่อยที่สุดจากผู้ใช้อุปกรณ์เทียมเกี่ยวข้องกับความเจ็บปวดและไม่สบายตัว สาเหตุหลักของความไม่สบายคือจุดยึด

“ปัญหาหลายประการเกี่ยวกับการใช้อุปกรณ์เทียมเกี่ยวข้องกับเบ้าเสียบ” วิศวกรชีวภาพ Cindy Chestek จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนใน Ann Arbor กล่าว เนื้อนุ่มไม่เหมาะที่จะถ่ายเทของหนักไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายที่สร้างขึ้นสำหรับงานนั้น นั่นก็คือกระดูก ความเครียดที่เกิดขึ้นอาจทำให้เนื้อเยื่อเสียหาย และบางครั้งก็ทำให้ผู้ใช้ต้องละทิ้งอุปกรณ์ของตน

เทคนิคที่เรียกว่า osseointegration ใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าโลหะบางชนิดมีพันธะกับกระดูก สลักเกลียวไทเทเนียมที่สอดเข้าไปในโครงกระดูกจะยึดอุปกรณ์เทียมให้เข้าที่ ทำให้มีความแข็งแรง มั่นคง และสะดวกสบายยิ่งขึ้น “มีเหตุผลที่เรามีโครงกระดูก” เชสเตคกล่าว

กระบวนการนี้ดำเนินการครั้งแรกในปี 1990 แต่ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางและมีจำหน่ายทางคลินิกจนกระทั่งทศวรรษที่ผ่านมา ระบบรากเทียมระบบหนึ่งเรียกว่า OPRA ได้รับการอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐอเมริกาในปี 2020 ข้อเสียเปรียบหลักคือสลักเกลียวไทเทเนียมจะต้องทะลุผิวหนัง ทำให้เกิดรูถาวรที่เสี่ยงต่อการติดเชื้อ “นอกเหนือจากความเสี่ยงในการติดเชื้อแล้ว การบูรณาการกระดูกยังดีกว่าในทุกด้าน” Chestek กล่าว

เปลี่ยนเส้นทางเส้นประสาท

นักไบโอนิคพยายามเจาะเข้าไปในเส้นประสาทของร่างกายมานานแล้วเพื่อสร้างอวัยวะเทียมที่สื่อสารกับสมอง แต่ความพยายามในช่วงแรกนั้นน่าหงุดหงิด สาเหตุหลักมาจากสัญญาณที่เส้นประสาทส่งผ่านนั้นอ่อนแอมาก

“ผู้คนพยายามมานานหลายทศวรรษเพื่อรับสัญญาณที่มีความหมายจากการ [วาง] สายไฟเข้าไปในเส้นประสาท” Chestek กล่าว “จนถึงทุกวันนี้ นอกห้องแล็บที่มีการควบคุมแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย”

ขาเทียมไบโอนิคสมัยใหม่จะสื่อสารกับกล้ามเนื้อเป็นส่วนใหญ่แทน เมื่อกระตุ้นโดยเส้นประสาท กล้ามเนื้อจะปล่อยสัญญาณไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก ซึ่งสามารถรับได้โดยอิเล็กโทรดบนผิวหนัง ซึ่งจะควบคุมแขนขาเทียม

แต่เส้นประสาทที่เคยควบคุมส่วนของแขนขาที่หายไปและสามารถใช้งานแขนขาเทียมได้อย่างมีประสิทธิภาพในทำนองเดียวกัน มักจะไม่สิ้นสุดที่กล้ามเนื้อ พวกมันไปไม่ถึงไหนเลยซึ่งสร้างนิวโรมา หลอดไฟที่ปลายประสาทซึ่งมี "ประกายไฟ" ทางไฟฟ้าทำให้เกิดความเจ็บปวด

ขั้นตอนที่เรียกว่าการฟื้นฟูกล้ามเนื้อเป้าหมายหรือ TMR ช่วยแก้ปัญหานี้ได้ ศัลยแพทย์จะดึงกล้ามเนื้อของเส้นประสาทดั้งเดิมออกและเปลี่ยนเส้นทางเส้นประสาทที่ถูกตัดไปยังพื้นที่ที่เพิ่งเคลียร์ใหม่นี้ เส้นประสาทที่ถูกเปลี่ยนเส้นทางจะเติบโตเข้าสู่กล้ามเนื้อเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณ ทำให้เกิดแหล่งสัญญาณควบคุมที่จำเป็น “คุณเปลี่ยนปัญหาการบันทึกเส้นประสาทเป็นปัญหาการบันทึกของกล้ามเนื้อ” Chestek กล่าว “การบันทึกกล้ามเนื้อเป็นเรื่องง่าย” ขั้นตอนนี้ยังรักษาอาการปวด neuroma ซึ่งเป็นจุดประสงค์ที่มักดำเนินการ

ข้อเสียเปรียบคือ TMR สามารถทำลายกล้ามเนื้อที่มีอยู่ได้ โดยจำกัดจำนวนสัญญาณที่สามารถสร้างได้ “อสังหาริมทรัพย์ของคุณหมดเร็วมาก” Chestek กล่าว นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการตัดแขนขาเหนือเข่าหรือข้อศอก ซึ่งมีกล้ามเนื้อเหลือน้อยลงและมีข้อต่อเทียมที่ต้องควบคุมมากขึ้น

เทคนิคใหม่,เรียกว่าส่วนต่อประสานเส้นประสาทส่วนปลายที่สร้างใหม่หรือ RPNI ผ่าตัดใส่การปลูกถ่ายกล้ามเนื้อขนาดเล็กที่นำมาจากที่อื่นและเปลี่ยนเส้นทางเส้นประสาทไปยังสิ่งเหล่านี้แทน ศัลยแพทย์จึงสามารถตัดมัดเส้นประสาทเหล่านี้ออกเป็นเส้นใยที่เป็นส่วนประกอบเพื่อใช้ประโยชน์จากเป้าหมายที่ได้รับการต่อกิ่งใหม่ ช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างสัญญาณได้มากเท่าที่ต้องการ Chestek กล่าว

การปลูกถ่ายกล้ามเนื้อที่มีขนาดเล็กทำให้ยากต่อการรับสัญญาณจากการปลูกถ่ายกล้ามเนื้อโดยใช้อิเล็กโทรดบนพื้นผิว “คุณไม่สามารถบันทึก [สัญญาณไฟฟ้า] จากกล้ามเนื้อสามเซนติเมตรผ่านผิวหนังได้อย่างง่ายดาย” Chestek กล่าว “คุณต้องใช้อิเล็กโทรดที่ฝังไว้” นี่เป็นการรุกรานมากกว่า และการปลูกถ่ายต้องเผชิญกับอุปสรรคด้านกฎระเบียบ แต่อิเล็กโทรดที่ฝังไว้จะให้สัญญาณคุณภาพสูงกว่า พวกเขาเพียงแค่ต้องเข้าถึงมันด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง เนื่องจากการร้อยสายไฟผ่านผิวหนังไม่สามารถใช้งานได้นอกเหนือจากการศึกษาในห้องปฏิบัติการ

นักวิจัยบางคนกำลังทำงานเกี่ยวกับระบบไร้สาย แต่อีกวิธีหนึ่งคือการรวม RPNI เข้ากับการรวมออสซีโอ ในการตั้งค่านี้ สายไฟระหว่างอิเล็กโทรดที่ฝังกับอวัยวะเทียมจะวิ่งผ่านสลักเกลียวไทเทเนียมเท่านั้น การศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วอธิบายแขนไบโอนิคเหนือข้อศอกโดยใช้แนวทางนี้ที่ทำให้ผู้รับสามารถควบคุมทุกนิ้วของมือหุ่นยนต์ของเขาได้

การสร้างร่างกายใหม่

ที่ห้องปฏิบัติการกายวิภาคศาสตร์ UCLA ของเขา Clites กล่าวว่า "ฉันมีความร่วมมือกับศัลยแพทย์ในโครงการต่างๆ เก้าหรือ 10 ครั้ง" ที่นี่เขาและทีมใช้ศพเพื่อทดสอบแนวคิดและรวบรวมข้อมูล “เราจะติดแขนขาของซากศพไว้กับแขนหุ่นยนต์และประเมินระบบที่เรากำลังพัฒนาเพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้” ไคลต์ส์กล่าว “มันเป็นกระดูกสันหลังของสิ่งที่เราทำ”

หนึ่งในโครงการที่อยู่ระหว่างการพัฒนาคือวิธีการแนบแบบใหม่ที่หลีกเลี่ยงหลุมถาวรที่มาพร้อมกับการรวมตัวกันของกระดูก- แทนที่จะใช้สลักเกลียวไทเทเนียม กลับมีชิ้นส่วนเหล็กอยู่ที่แขนขาและมีแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในเบ้าของขาเทียม “แม่เหล็กนั้นยึด [ซ็อกเก็ต] ไว้ที่แขนขา” ไคลต์กล่าว “แล้วคุณจะสามารถควบคุมแรงดึงดูดที่มีได้โดยการเปลี่ยนกระแสผ่านแม่เหล็กไฟฟ้านั้น” ซ็อกเก็ตไม่จำเป็นต้องรับน้ำหนัก แรงแม่เหล็กทำหน้าที่นั้น โดยเปลี่ยนจากช่วงเวลาหนึ่งไปตามความต้องการ เช่น การเดินและการยืน

ที่ MIT Herr ยังทำงานเกี่ยวกับความก้าวหน้าครั้งใหม่อีกด้วย การทดลองล่าสุดของขาไบโอนิคที่ใช้ AMI ใช้อิเล็กโทรดบนผิวหนังเพื่อส่งสัญญาณจากกล้ามเนื้อไปยังข้อต่อเทียม แต่อิเล็กโทรดที่พื้นผิวมีข้อเสีย เช่น การเคลื่อนไหวที่ทำให้เกิดการบิดเบือนของสัญญาณ เทคนิคใหม่ที่เรียกว่าแมกนีโตไมโครเมตรีเกี่ยวข้องกับวางทรงกลมแม่เหล็กไว้ภายในกล้ามเนื้อและติดตามความเคลื่อนไหวด้วยแมกนีโตมิเตอร์ "ด้วยแม่เหล็กเหล่านี้" Herr กล่าว "เราสามารถวัดสิ่งที่เราสนใจและใช้เพื่อควบคุมอวัยวะเทียมไบโอนิคได้โดยตรง" ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์จะมีอยู่ในประมาณห้าปีเขากล่าว

สำหรับ Herr ความก้าวหน้าดังกล่าวเป็นเรื่องส่วนตัว ขาทั้งสองข้างของเขาถูกตัดออกใต้เข่าหลังจากเกิดอุบัติเหตุปีนเขาเมื่อ 42 ปีที่แล้ว เขากำลังคิดที่จะอัปเกรดขาเทียมแบบไบโอนิคที่ใช้ AMI ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เมื่อเทคนิคเหล่านี้สมบูรณ์แบบ เขาจะคาดการณ์การก้าวกระโดดไปข้างหน้า “เมื่อคุณผสมผสานเทคนิคการผ่าตัด เช่น AMI และ RPNI เข้ากับบางอย่างเช่นแมกนีโตไมโครเมทรี เราเชื่อว่ามันจะต้องจบลงด้วยดี” Herr กล่าว “เราเชื่อว่าจะมีหุ่นยนต์แขนขาที่ควบคุมด้วยสมองในเวอร์ชันฮอลลีวูด”

ประโยชน์เพิ่มเติมของการฟื้นฟูการรับรู้อากัปกิริยาควบคู่ไปกับคือทำให้ผู้รับรู้สึกเหมือนมีอวัยวะเทียมเป็นส่วนหนึ่งของตัวเองมากขึ้น (SN: 22/4/21- “เป้าหมายในสนามคือเมื่อเราสร้างหุ่นยนต์ขึ้นมาใหม่ คนๆ นั้นพูดว่า 'โอ้พระเจ้า คุณได้มอบร่างกายของฉันคืนให้ฉันแล้ว'” Herr กล่าว “แทนที่จะใช้เครื่องมือหุ่นยนต์ เราคืนแขนขาให้พวกเขาทั้งหมด สนามนี้ใกล้กับเป้าหมายนั้นมาก”