פריצות דרך חדשות בביוניקה Proאסתטיקה

בעשור האחרון, תחום האסתטיקה עבר טרנספורמציה עמוקה, מונע על ידי התכנסות התקדמות רובוטיקה, חומרים מדע והנדסה עצבית.ביוניקה פרוטה גפיים לא מוגבל יותר לשיקום תנועה מכנית; הם משלבים עכשיו יכולות משוב חושיות המאפשרות למשתמשים לחוות מגע, לחץ, טמפרטורה ואפילו מרקם.התפתחויות אלה משנים באופן יסודי את מה זה אומר לחיות עם אובדן גוף, לא רק מציע תחושה פיזית של עצמאות מחודשת וזיכרון.

על פי הקואליציה אמפוטי, כ-2 מיליון אנשים בארצות הברית לבדם חיים עם אובדן גפיים, ומספר זה צפוי לעלות באופן דרמטי בשל אוכלוסיות ההזדקנות ועליות בסוכרת ובמחלת vascular. בעוד שהאסתטיקה המסורתית התמקדה בעיקר במתן תחליף למגפיים החסרה #8217; הפונקציה המכנית של תפקוד מכני, היעדר משוב חושי נשאר פער קריטי.

מאמר זה חוקר את ההתקדמות האחרונה בגפיים ביוניים עם משוב חושי, ומסביר כיצד המערכות האלה עובדות, אילו פריצות דרך הושגו, אילו אתגרים נותרו, והיכן השדה עומד ליד.

מה הם שכונות ביוניקה?

גפיים אסתטיות ביוניקה מייצגות את הקטגוריה המתקדמת ביותר טכנולוגית של גפיים מלאכותיות.בניגוד לאסתטיקה פאסיבית או מופעלת גוף, גפיים ביוניקה משלבות רכיבים פעילים כגון מיקרו-מעבדים, מנועים חשמליים, חיישנים ואלגוריתמי בקרה מתוחכמת.מכשירים אלה נועדו להשוואה את הצורה והתפקוד של איבר ביולוגי, המאפשר תנועות מורכבות כמו לתפוס, צובט, סיבוב, ואפילו בידוד אישי.

איבר ביוניקה טיפוסי מכיל מספר תת-מערכות מפתח:

  • (FLT:0) חומרים צ'אסטרוליים של חלוץ 1 ו-#8211; חומרים קלים, עמידים כגון סיבים פחמן, טיטניום ופולימרים מתקדמים המספקים כוח ללא משקל מופרז.
  • (FLT:0) פועלים ומנועים (FLT:1 – מנועים חשמליים קומפקטיים, גבוהים ומתקדמים המניעים תנועות משותפות.
  • (FLT:0) ממשקי הבקרה של הממשקים (Control InterfaceFLT:1 – השיטה שבה המשתמש מצווה על הגפיים. Common גישות כוללות אלקטרודות אלקטרודמיות (EMG) המזהות התכווצויות שרירים, חיישניים מינואלקטריים מושתלים (IMES), וממשקים עצביים ישירים כגון cuffs עצביים היקפיים היקפיים או מחשבי מוח.
  • (FLT:0)SensorsveFLT:1 ו-#8211; חבילה של חיישנים מלאכותיים כולל חיישני לחץ, מדדי זנים, מד תאוצה, גירוסקופים, וחיישנים טמפרטורה לאסוף נתונים על הגפיים ו- #8217; אינטראקציה עם הסביבה.
  • (FLT:0) מערכת ההשבחה (FLT:1 ו-#8211); המנגנון המתורגם נתוני חיישן לתחושות הנתפסות על ידי המשתמש, לעתים קרובות באמצעות גירוי חשמלי של עצבים היקפיים או התחדשות חושית ממוקדת של העור.

מה שמציב את הדור החדש של גפיים ביוניות בנפרד הוא השילוב הדוק של לולאות הבקרה והפידבק.המשתמש לא רק נושא פקודות אל הגפיים, אלא גם מקבל מידע בזמן אמת על מה שהיד או הרגל האטה נוגעים, ומאפשר מערכת בקרה סגורה-פרלופית שמשקף את לולאה טבעית של חיישן אנושי.

התפקיד הקריטי של משככי חושיים

במשך עשרות שנים, המטרה העיקרית של עיצוב אסתטי הייתה להחזיר את תפקוד המנוע: לאפשר לאדם לתפוס, ללכת או להגיע. משוב חושי היה להתעלם בעיקר כי זה היה קשה מבחינה טכנית להשיג.עם זאת, ניסיון קליני הוכיח כי ללא משוב חושי, משתמשים להתמודד עם מגבלות משמעותיות. אנשים עם אסתטיקה מיואלקטרית קונבנציונלית לעתים קרובות מדווחים על הסרת אובייקטים כי הם לא יכולים להרגיש כמה חזק הם קולטים.

אחסון תחושה באמצעות איבר טטראט מציע יתרונות מרובים:

אחסון של רגישויות טבעיות

היכולת להרגיש לחץ, מרקם וטמפרטורה משנים את המשתמש & #8217; הניסיון של ההסתברות. כאשר אדם יכול לחוש כי הם מחזיקים חפץ שברירי, הם יכולים באופן אוטומטי לשנות את כוח האחיזה שלהם. כאשר הם יכולים להרגיש את החום של לחיצת יד, האינטראקציה הופכת ליותר אנושי. מחקרים על ידי חוקרים באוניברסיטת שיקגו ואוניברסיטת פיטסבורג הראו כי לספק דרך גירוי ביולוגי צורך לבצע את הגמישות כדי לשפר באופן משמעותי על ידי 40% כדי לבצע משימות שליליות.

« « כאב פנטום

כאב פנטום (PLP) משפיע על 60-80% מהאנשים עם מנגנונים.המנגנונים המדויקים אינם מבינים לחלוטין, אבל תיאוריה מובילה אחת היא כי המוח & #8217; המפה הקורטקטית של הגוף החסרה נותר פעיל אך לא מקבל כל אישור קלט חושי, המוביל לדלקת ראייה לקויה וכאבי ראייה מגובה על ידי 2, 000 פעמים לאחר טיפול ביו-אופטימי, 000 פעמים שימוש בניסויי של גירוי עצבי ו- 10.

שיפור האיזון וגאי

עבור יונקים נמוכים יותר, משוב חושי מן הרגל הפרוטטית או הקרסול חיוני לשמירה על איזון והסתגלות לשטחים שונים. proprioceptive מידע על זווית משותפת ומגע קרקעי מסייע למשתמש להימנע ממפלים.חוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ומכון שיקום של שיקגו פיתחו רגליים פרוטות כלי חסכוניות המספקות משוב אינפורמטיבי או אלקטרוטקטילי ל-side, המאפשרים למשתמשים לנווט משטחים לא בטוחים יותר.

כיצד פועל משככי חושיים במכשירים מודרניים

הצינור מאינטראקציה פיזית לתפיסה מודעת כרוך בשלושה שלבים עיקריים: רגיש, סיבולת, גירוי עצבי.

סוגים של חיישנים

יד ביונית מודרנית עשויה להכיל עשרות חיישנים.בדרך כלל סוגי חיישן מועסק כוללים:

  • (ב) [15] ,9) ,(ב) ,(ב) ,(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא יא"ד: ויקרא י"ד: "וַיְּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּעָם" (בראשית כ"ד).
  • (ב) חיישנים של Temperature (thermocouples or thermistors) LT:1 – כדי לזהות משטחים חמים וקרים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0 חיישנים חדשים) ו-#8211; באמצעות מיקרופון או מדמטרים שיכולים לזהות דפוסים של רטט כאשר האצבע נגררת על פני פני השטח, המאפשרת אפליה של בדים, עץ או מתכת.

מעבדות מתקדמות, כגון תוכנית HAPTIX במימון DARPA, הוכיחו מערךי חיישן עם מאות אלמנטים רגישים בודדים, מחקה את צפיפותם של מכשומי mechanoמקבלים בעור אנושי.

צומת תמונות ו-Destion Encoding

נתוני החיישן חייבים להיות מומרים לסימנים עצביים שהמשתמש יכול לפרש.כמה גישות הוכחו כאפקטיביות:

  • (FLT:0)Targeted Sensory Reinnervation (TSR)FLT:1 – טכניקה כירורגית שבה עצבים שסיפקו בתחילה את הגוף המחוספס מופנים לעור על החזה או הכתף. העור הופך להיות רגיש לגעת, וחיישנים על הפרוטזה יכולים לעורר אזורים מוחזרים אלה באמצעות טמקטורים קטנים או אלקטרודות.
  • (ב) [ה][דרוש מקור]] [ה][דרוש מקור]] [ה] [ה]] [ה[[1924]]]]] ו[[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אסטרטגיות קידוד האות הן קריטיות.גישה פשוטה היא למפות לחץ חיישן לגירוי amplitude, אבל זה לעתים קרובות תוצאות בתחושות לא טבעיות, אלגוריתמים חדשים משתמשים ב ⁇ ביומטית המחקה את דפוסי הספייקפיים הטבעיים של mechanoמקבלים. לדוגמה, במהירות-adapting type I (FA-I) מגיבים למרקם על ידי ירי בדפוסים הקשורים למגרעות טבעית.

פריצות טכנולוגיות מפתח

כמה התפתחויות האחרונות דחפו את השדה באופן משמעותי:

שיפור נווהריכות ימים

אחד החסמים הגדולים ביותר היה ההשפלה של ממשקי אלקטרודה-טמה לאורך זמן, המוביל לדלקת, היווצרות רקמות צלקות, ואובדן איכות האות. חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו פיתחו ו-#8220; רך & #8221; אלקטרודות עשויים פולימרים מוליכים מתוחים כי הם מתאימים רקמות עצבים ללא גרימת נזק.

תקשורת Wireless

מערכות מוקדמות נדרשות חוטים סחניים המסתכנים בזיהום ובניידות מוגבלת.הגוף הביוני המודרני משלבים טרנסצ'יגורים אלחוטיים המשדרים את נתוני החיישן והוראות הגירוי.לדוגמה, ה-FLT:0SpaceSuit LabsFLT:1 המערכת משתמשת בהפיכה מגנטית קרובה לשדה להעביר כוח ונתונים דרך העור, תוך חיסול הצורך בחברים פיזיים.

חומרים מתקדמים

חומרים חדשים מורכבים הפחיתו את משקל הידיים הביוניות ל- 300 גרם, בדומה למשקל של יד טבעית.השימוש במבנים טיטניום ממוחזר תלת-ממדי מאפשר למטמים מותאם אישית, קלים שמתאימים באופן מושלם ולשפר את הנוחות.

למידה ממוחשבת לשליטה אישית

אינטליגנציה מלאכותית משמשת לפענוח כוונות המשתמש מ-EMG או אותות עצביים עם דיוק גדול יותר.מודלים למידה עמוקה יכולים להתאים לדפוסי שרירים בודדים, צמצום זמן האימון הנדרש למשתמש כדי לשלוט בגפיים באופן נוזלי.

יישומים קליניים וחוויות משתמשים

מוסדות מחקר ומרפאות ברחבי העולם בוחנים כעת את איברי הביוניים החשופים עם מטופלים.אוניברסיטת מישיגן אורתולוגיים ומרכז Proאסתטיקה של מישיגן רשמה יותר מ-50 חולים בניסויים קליניים של ה- Modular Proאסתטיקה Limb (MPL), שפותחה על ידי המעבדה לפיזיקה יישומית של ג'ונס הופקינס.ה-MPL מכילה מעל 100 חיישנים והיה הזרוע הראשונה לספק שליטה בו זמנית וסנסורית ב-26 מעלות של חופש.

משתמשים מדווחים על שיפורים דרמטיים.אחד מהמשתתפים, חשמלאי שאיבד את זרועו בתאונה תעשייתית, אמר, ו-#8220; בפעם הראשונה שהרגשתי סודה יכולה ביד בלי להסתכל עליה, בכיתי.זה הרגיש כאילו יש לי את היד שלי בחזרה. & #8221; עדויות כאלה מדגישות את ההשפעה הרגשית והפסיכולוגית של שחזור מגע.

דוגמה בולטת נוספת היא עבודתו של ד"ר סטין טיילר באוניברסיטת קלאבל ריזרב, שהציגה את מערכת משוב חושית הכרונית הראשונה בשנת 2015. כי המטופל השתמש ביד החיישן במשך יותר משנה ודיווח כי המשוב הפך טבעי כל כך עד שהוא יכול לאסוף עגבת דובדבן מבלי למחוץ אותה.

אתגרים העומדים בפני השדה

למרות ההצלחות האלה, אסתטיקה משוב חושית עדיין לא זמינה באופן נרחב.אתגרים מרכזיים רבים נשארים:

אפשרויות ל-Nural Interfaces

אלקטרודות שנותרו מושתלים במשך שנים עלולות לפגוע או לגרום נזק עצבי.חוקרים מתמקדים בחומרים המתנגדים לביוטכנולוגיה ולטכניקות כירורגיות המפחיתות את הטראומה.

החלטה של חיישנים

ממשקים נוכחיים יכולים בדרך כלל להעביר רק כמה רמות של עוצמה דיסקרטית.היד האנושית יכולה לאפליה אלפי רמזים טקטיים.שיפור ההחלטה דורש יותר ערוצים של גירוי, יותר מתוחכמות, ולהבין טוב יותר כיצד המוח מעבד תחושות חמקמקות באופן מלאכותי.

זמינות וגישה

יד ביונית אישית עם משוב חושי יכול לעלות בין $20,000 $ 80,000. תוכניות ביטוח רבים לא מכסה תכונות חושיות מתקדמות, מסווג אותם כניסויי. עושה את המכשירים האלה סביר ולהבטיח גישה שוויונית לקבוצות סוציו-אקונומיות הוא אתגר משמעותי.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

ה- FDA עדיין לא הקים מסלולים ברורים להערכת ממשקים עצביים פעילים, בשילוב עם חיישנים חיצוניים.מפתחים חייבים לנווט בדרישות רגולטוריות מורכבות, להאט את הזמן לשוק.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, גל החדשנות הבא עשוי להגיע ממספר אזורי ברכה:

חומרים מתפתלים, self-Healing Materials

חומרים המחקים את המאפיינים המכניים של רקמות טבעיות ויכולים להצמיח עצמי לאחר נזק עלולים לחולל מהפכה באלקטרודות מושתלות. החוקרים חוקרים את הידרוגלים ורכיבים נוזליים.

סגור-Loop Brain-Computer Interfaces

בעוד שמערכות נוכחיות מעוררות עצבים היקפיים, ממשקים קוטוריים ישירים יכולים לספק אפילו משוב עשיר יותר.הקונטורטי המוח הוכיחו כי גירוי קליפת המוח במוח יכול ללעיר תחושות טקטיליות, והם עובדים על שילוב זה עם פקודות מוטוריות.

Machine Learning for Fitive Feedback

מערכות עתידיות יכולות להתאים את סוג המידות והעוצמה של משוב בהתבסס על ההקשר המשימה.לדוגמה, כאשר המשתמש בוחר אובייקט כבד, המערכת עלולה לדכא משוב מרקם דק ולהדגיש את הלחץ.

הרחבה של Commercialspread

מאמצים מתקדמים (Efforts) פועלים כדי להניע עלויות באמצעות כלכלות של ייצור בקנה מידה ומתקדמים.ה-FLT:0 YoubionicFLT:1 יוזמה שואפת להפוך את הידיים הביוניות החיישן זמינות באמצעות הדפסה תלת-ממדית של 1,000 דולר, אם כי אלה חסרים את תחכום של מערכות דירוג מחקר.

מסקנה

השילוב של משוב חושי לגפיים אסתטיות ביוניות מייצג שינוי פרדיגמטי בהנדסת שיקום.מה היה פעם מדע בדיוני הוא עכשיו מציאות קלינית: אנשים עם אפוטציות יכולים שוב להרגיש את הלחץ של לחיצת יד, את החום של כוס קפה, או את המרקם של עלה.יכולות האלה לא רק לשחזר את התפקוד; הם לשחזר תחושה של שלמות וסוכנות.

בעוד המחקר ממשיך לחדד ממשקים עצביים, לשפר את החלטת החיישן, להפחית את עלויות, ולייעל את אישור הרגולציה, החזון של איבר אסטטי שהוא באמת בלתי-מעורר מביוטיקה, העתיד מבטיח לא רק טכנולוגיה טובה יותר, אלא גם אוטונומיה גדולה יותר ואיכות חיים למיליוני אנשים ברחבי העולם.