Бионикалық шыбық буыны қалай жұмыс істейді?

Нейралдық сигналдарды өңдеу: Бұлшық ет белсендіруден қозғалысты басқаруға дейін

Агноист-Антагонист Мыйлы-Нейронды Интерфейс (AMI) және табиғи нейралдық сигнал беру

Бүгінгі бионикалық жігерлер нервтер арқылы денеміз сигналдарды жіберу тәсілін көшіргендіктен, әлдеқайда табиғи қозғалады. Агонист-Антагонист Мийонейроналды Интерфейс деп аталатын, қысқаша AMI деген нәрсе бар, бұл негізінен бірлесіп жұмыс істейтін бұлшықеттердің арасындағы маңызды байланыстарды сақтап тұрады. Осы құрылғыларды пайдаланатын адамдар өз жасанды аяқтарын әлдеқайда жақсы бақылай алатындығын хабарлайды. Өткен жылы жүргізілген кейбір зерттеулер Frontiers in Neural Circuits журналына сәйкес, AMI жүйелері ескі модельдерге қарағанда ми сигналдарын шамамен 34 пайызға тезірек өңдейтінін көрсетті. Бұл технологияның ерекшелігі — ол біздің омыртқа жүйесіміздің рефлекстері сияқты жұмыс істеуінде. Жүйе адамның қалдық бұлшықеттерінің жасанды жігермен алмасуына мүмкіндік береді. Бұл ампутация жасалғандардың ойланбастан аяқтарының қай жерде орналасқанын сезінуіне және жүрген кезде қанша күш салу керектігін автоматты түрде өзгертуіне мүмкіндік береді.

Бионикалық жігерді басқару үшін дәл нейралдық сигналдарды жинаудың имплантатты электродтары

Қалған бұлшық ет ұлпасына тығыз орналасқан электродтық массивтер микровольттың осы шағын сигналдарын жинауға және оны шамамен жарты миллисекунд сайын істей алады. Жүйе шынайы қозғалыс деректерін биологиялық фонның барлық дабылдарынан ажырату үшін тапқыр бағдарламалық жасақтаманы пайдаланады, яғни маңызды болып табылатын көбінесе бүтін түрде өтеді. Өткен жылы Frontiers in Neuroscience журналында жарияланған соңғы зерттеулерге сәйкес, бұл сүзгілеу процесі өте жақсы жұмыс істейді және бастапқы сигналдың сапасының шамамен 98 немесе 99 пайызын сақтайды. Дәстүрлі беткі ЭМГ жабдығымен салыстырғанда, имплантацияланған сенсорлар пайдалы сигналдарды бөгелістен ажырату жағынан шамамен 60 пайызға жақсырақ нәтиже көрсетеді. Бұл күрделі қозғалыстар кезінде, мысалы адам отырғаннан тұрып тұрған кезде, тіпті белсенді емес қозғалыс бірліктерін анықтауда оларды шынымен жақсы жасайды.

Бұлшық ет сигналдарын сұйық буын қозғалысына аударатын роботтық бақылауыштар

Ең соңғы заманауи процессорлар мидың сигналдарын тек 27 миллисекунд ішінде бұлшық еттердің әрекетіне ұқсас нұсқауларға айналдыра алады, бұл әдетте 50-100 мл секундқа созылатын адамның буындарының табиғи рефлекс уақытынан тезірек. Бұл гибридті басқару жүйелері кәдімгі қимыл-әрекеттер үшін қимыл үлгілерін анықтауды, ал танымайтын жергілікті жағдайларға тап болғанда икемді оқу алгоритмдерімен ұштастырып, адамдардың әртүрлі жүру жылдамдықтары арасында көрінетін тосын тоқтаусыз ауысуына мүмкіндік береді. 2023 жылы «Журнал оф Нейроинженерия» журналында жарияланған соңғы зерттеулерге сәйкес, осындай дамыған жүйелерді пайдаланатын адамдар жаңа жүру стилін ескі миоэлектрикалық технологияға сүйенетіндерге қарағанда 47 пайызға тезірек меңгереді. Бұл түрдегі тез бейімделу жауапкершілік ең маңызды болып табылатын нақты өмірлік қолданыстарда айырмашылық жасайды.

Сигналды трансдукция жолы: нейромышечный кірісінен қозғалтқыш реакцияға дейін

Бионикалық буынның сигналдық жолы биологиялық проприоцепцияны көшіреді:

1. Қалдық бұлшық еттердегі созылуға сезімтал иондық каналдар механикалық жүктеме өзгерістерін анықтайды
2. Әрекет потенциалдары AMI-мен сақталған жүйке жолдары арқылы жүреді
3. Бейімделуші бақылауыштар жасанды буындарға лақтырылатын момент профилдерін генерациялайды
   Тұйық циклды жүйе сатылардан төмен түсу сияқты симметриялы емес тапсырмалар кезінде биологиялық аяқпен 92% координациялық дәлдікке жетеді, бұл ашық циклды протездерден 33% жоғары (Clinical Biomechanics, 2023).

Тіндермен Тікелей Интеграция: Бионикалық Жасанды Тізе мен Сүйек пен Бұлшық Етті Байланыстыру

Қазіргі заманғы бионикалық тізе буын жүйелері тікелей биологиялық интеграция арқылы бұрын болмаған тұрақтылыққа жетеді. Сыртқы қысуға негізделген дәстүрлі розеткалы протездерден өзгеше, келесі ұрпақтың конструкциялары синтетикалық компоненттерді табиғи ұлпамен біріктіреді, осылайша күштің берілуі мен жүйке арқылы байланыс орнатылады.

Остеоинтеграцияланған Механоневралды Протез (OMP) және e-OPRA Имплантат Технологиясы

Остеоинтеграцияланған механонейралды протездер немесе OMP бұл қалдық сан жілігінің қалдық бөлігіне титан имплантаттарын орнату арқылы жұмыс істейді, олар уақыт өте кемікпен оссеоинтеграция деп аталатын процесте нақты байланысады. e-OPRA деген жаңа жүйе кернеу кезінде электр тогын шығаратын материалдардан жасалған арнайы сенсорлар арқылы осы ұғымды одан әрі дамытады. Бұл сенсорлар адам қозғалған кезде сүйектің қалай кернеуленгенін анықтайды, сатылармен жоғары көтерілу сияқты күнделікті тапсырмалар кезінде лездік түзетулер жасауға мүмкіндік береді. Өткен жылы Smithsonian Magazine журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес, бұл дамыған протездерді қолданатын науқастар дәстүрлі әдістермен салыстырғанда розетка аймағында қысым язваларын үштен бір бөлігіне дейін азайтады, сонымен қатар аяқ-қолдарының орны мен қозғалысы туралы көптеген жақсырақ кері байланыс алады.

Жақсырақ тұрақтылық пен жүктеме таралуы үшін сүйекке бекітілген имплантаттар

Сүйектерге бекітілген протездер қысымды жұмсақ тіндерге емес, сүйектер бойына тең бөледі. 2024 жылғы соңғы зерттеулер бойынша, мұндай имплантаттардың бірден бағытты өзгерту кезінде шамамен 3,8 Ньютон метр/килограммға жететін бұралу күштерін ұстай алатыны анықталды, бұл қалыпты қосылыс түріндегі протездердің ұстай алатын күшінен шамамен екі есе жоғары. Тікелей сүйекке бекітілуінің тағы бір үлкен артықшылығы – көбінесе адамдардың тәжірибе жасайтын қозғалыс эффектісін болдырмау. Зерттеулер шамамен екі үштен бірінің тізе үстінен аяқтарын жоғалтқандарында дәстүрлі протез құрылғыларды пайдалану кезінде бұл проблема тұрақты түрде кездесетінін көрсетеді.

Биомеханикалық өнімділікті арттыру үшін тікелей бұлшық ет пен сүйек интеграциясы

Ең соңғы протездік технологиялар сүйек біріктіру әдістерін және роботтық бөлшектерді аяқ бұлшықеттерінің қалдықтарымен тікелей байланыстыратын жүйке-бұлшықеттік жалғаулармен ұштастырады. Бұл екі әдіс бірге жұмыс істегенде қозғалыс кезінде шынтақ бұлшықеттері арасындағы синхрондауды жақсартады. 2025 жылғы жүру тестілерінде Массачусетс технологиялық институтының биомеханика зертханасында жүргізілген сынақтар бұл жүйенің табиғи жүрудің 89%-ын қамтитын, нормалды жағдайдағы тізе қызметіне жақын нәтиже беретінін көрсетті. Нақты өмірдегі нәтижелер де елеулі. Соңғы заманғы осындай жүйелерді пайдаланатын адамдар дәстүрлі ұяшықтық бионикалық тізелерге ие адамдарға қарағанда төменгі бағдарлау жылдамдығын жақсартып, баспалдақты көтерілу жылдамдығын соңғы клиникалық зерттеулер бойынша шамамен 82% арттырады.

Хирургиялық инновация: AMI әдісі және кері байланысты жақсарту үшін бұлшықеттерді жұптау

AMI хирургиясы: табиғи агонист-антагонист бұлшықеттік динамикасын қалпына келтіру

Стандарттық ампутациялық процедуралар қозғалысты жасау үшін бірлесіп жұмыс істейтін маңызды бұлшықет топтарын кесіп өтеді. Агонист-антагонист мио-нейралды интерфейс (AMI) деп аталатын жаңа хирургиялық техника пайда болды, ол шын мәнінде операциядан кейін аяқ-қолдың қалдық бөлігінде осы бұлшықет топтарын қайта біріктіреді. Бұл әдеттегі ампутация кезінде зақымданатын дененің табиғи байланыс жүйесін қалпына келтіруге көмектеседі. Бұлшықеттер өзіне тән алма-кезек қатынасын сақтайтын болса, протез құрылғылары жүйке жүйесінен келетін сигналдарды одан әрі дәлме-дәл оқи алады. Жалғыз Nature Medicine журналында өткен жылы жарияланған зерттеулерге сәйкес, осы сигналдарды интерпретациялау сәттілік көрсеткен деңгейі шамамен 92 пайызға жетеді. Осы емдеуден өткен науқастар дәстүрлі протез розеткаларын қолданатын адамдармен салыстырғанда шамамен 37% ауыртпалы қимылдарды бастан кешіреді. Ең маңыздысы, олар белгілі бір бұлшықеттерді кернеу арқылы механикалық түрде жоғалған функцияны компенсациялауға сүйенбей, тек және тек жүзін қисықтап немесе түзетіп басқаруға нақты мүмкіндік алады.

Сезімталдықтық кері байланыс пен интуитивті басқаруды мүмкінді ететін бұлшықеттерді қайта қосу әдістері

AMI хирургиясы бұлшықеттік шоғырлар мен созылу рецепторлары арасындағы маңызды байланыстарды белсенді ұстау арқылы дененің табиғи түрде сезінуіне сәйкес жұмыс істейді. Хирургтер сіңірлерді қайта бекіткенде, дененің миға күштірек сигналдар жіберуі үшін керілуді ұқыпты түрде реттейді. 2024 жылы Массачусетс технологиялық институтында (MIT) жүргізілген зерттеулерде осы операциядан өткен адамдар кедергілер жолында қиын жерлерден өткен кезде шамамен 0,83 секунд жылдам реакция беретіні анықталды. Екі жақты байланыс науқастардың жүрегін бүгіп тұрған кезде кедергіні шынымен сезінуіне мүмкіндік береді, бұл нерв жүйесі толық адамдар сияқты табиғи жүруіне көмектеседі. Көбінесе AMI хирургиясынан өткен адамдар протездері операциядан үш ай өткеннен кейін қалыпты сезілетінін айтады. Халықтың көпшілігі бұл туралы хабарлаған, дәстүрлі әдістерді қолданатындарға қарағанда баспалдақтарға көтерілгенде немесе отырып тұрғаннан тұруға өткенде олардың көңіл-күйі көптеген есе сенімді болады.

Дәстүрлі сокетті протездерге қарағандағы артықшылықтар: ыңғайлылық, тұрақтылық және басқару

Ұзақ уақыт пайдалану мен қозғалыста сокетке негізделген протездердің шектеулері

Сокетке негізделген протездер қазір де күнделікті пайдалану мен ыңғайлылық мәселелерімен күресуде. Оларды киетін адамдардың көбісі денесіне тікелей тиетін қатты сокеттен туындайтын терісінің тітіркенуі немесе жаралануы туралы шағымданады. Соңғы зерттеулердің бірі екі жыл ішінде ұзақ уақыт пайдаланушылардың шамамен үш төрттен бірі осындай проблемаларға тап болатынын көрсетті. Бұл протездердің жұмыс істеу принципі бірлестіктердің табиғи қозғалысын да шектейді, бұл көптеген ампутацияланған адамдар үшін сатылар мен көлбеулермен қозғалуды ерекше қиындатады. Пациенттердің шамамен алтыдан бесі күн ішінде қалдық аяғының өлшемі өзгеріп отыратынын байқайды, бұл жүру немесе қозғалу кезінде тұрақтылықты сақтауды одан әрі қиындатады.

Ұлпаларға интеграцияланған бионикалық жілік жүйелерімен жақсартылған басқару және ыңғайлылық

Тіндермен тікелей байланысатын бионикалық жүректер дәстүрлі протезда кездесетін көптеген мәселелерді, сүйектер мен бұлшық еттердің екеуін де қосу арқылы шешеді. Жаңа остеоинтеграцияланған жүйе құлақшалардан туындайтын әсер ету нүктелерін жояды және аяқ бойынша салмақты жақсырақ таратады. Зерттеулерде күштердің таралуы бұрынғы үлгілермен салыстырғанда шамамен 40 пайызға жақсарғаны көрсетілді. 2025 жылғы соңғы зерттеулерде алдыңғы деңгейлі жүректерді пайдаланатын адамдардың қозғалыс үлгілері табиғи қозғалысқа 92 пайызына дейін ұқсас болып, жүру кезінде жүрісі табиғиға жақын болатыны анықталды. Олардың бұлшық еттерінен имплантатқа жеткізілетін сигналдардың жылдамдығы да таң қалдырады — реакция уақыты тек 12 миллисекундқа дейін қысқарды. Бұл дәстүрлі құлақшалы бекітпелермен салыстырғанда шамамен 40 пайызға жылдам. Бәрі осылай тығыз жұмыс істегендіктен, жүрген кезде компенсациялық қимылдарға соншалықты қажет болмайды. Бұл пациенттердің қалдық аяқтарында уақыт өте келе білек аурулары пайда болу ықтималдығын едәуір төмендетеді, мүмкін, тіпті 40 пайызға жақын төмендетуі мүмкін.

Шынайы әлемдегі функционалдылық: Күндделікті іс-әрекеттер кезінде электрмен жұмыс істейтін бионикалық тізе буындарының өнімділігі

Баспалдақтар, көлбеулер және кедергілер арқылы ыңғайластырылған бионикалық тізе басқаруымен жүру

Бүгінгі бионикалық жақты буындар күнделікті жағдайлармен қалай іске асырылатыны тұрғысынан қарағанда өте елеулі. 2023 жылы Nature Medicine журналында жарияланған соңғы зерттеуге сәйкес, бұрынғы розеткалы протездерді пайдаланатындармен салыстырғанда, осы жаңа ұлпа интеграцияланған жүйелерді пайдаланатын адамдар сатымен жоғары-төмен қозғалған кезде шамамен 73 пайызға азырақ аяқтарын итермелеп отырады. Себебі не? Бұл дамыған жақтылардың роботталған басқару құрылғылары әрбір секундына жуық 50 рет буындағы кедергіні өзгертеді. Бұл оларға кез келген лагсіз бір беттен екіншісіне тегіс өтуге мүмкіндік береді. Әрбір жақтының ішінде гироскоптар мен үдеу өлшеуіштер деп аталатын өте кішкентай сенсорлар бар, олар адам қай бетте жүріп келе жатқанының бұрышын оқиды. Одан кейін тепе-теңдікті сақтау үшін қажет күштің мөлшерін реттейді, бұл ылғалды жолдар немесе қиын жерлер сияқты қиын жерлерде сырғанаудан сақтану үшін өте маңызды.

Жүру, жүгіру және ауысу міндеттері кезіндегі динамикалық қозғалыс мүмкіндіктері

Қуатты бионикалық жақсылар үш негізгі инновация арқылы табиғи биомеханиканы қайтарады:

• Айнымалы сыйымдылықты актюаторлар топырақ соққылар кезінде әсер етуші күштерді 40% дейін азайтады
• Болжау Алгоритмдері жүру фазасының өтуін 98% дәлдікпен болжайды
• Моментті күшейту жүгіру кезінде дене салмағынан 2,5 есе асатын жүктемелерді қолдайды

2025 жылғы Science журналы сүйекке бекітілетін жүйелерді пайдаланушылардың 15° көлбеулікте 92% сенімділікпен жүргенін, ал қолданыстағы протездермен — 58% болғанын атап өтті. Өзгермелі бақылауыштар қолданушының түзетулер енгізбеуіне қарамастан жүру (0,6–1,8 м/с) және жүгіру (2,4–4,5 м/с) режимдері арасында автоматты түрде ауысуына мүмкіндік береді және биологиялық жақсы рефлексін қайталайды.

Бұл жетістіктер төменгі аяқ протездерінің негізгі қиыншылықтарын шешеді және жасанды аяқтың табиғи қозғалыс үлгілерін қалпына келтіру үшін нейрональды интеграция мен механикалық дәлдікті ұштастырады.

Жиі қойылатын сұрақтар

Агонист-антагонистті мио-нейрональды интерфейс (AMI) дегеніміз не?

AMI — бұл бірлесіп жұмыс істейтін бұлшықеттерді байланыстыратын жүйе, ол табиғи сигналдарды жіберуге және жасанды аяқтарды жақсырақ басқаруға мүмкіндік береді.

Бионикалық жігерлерде имплантатталған электродтар қалай жұмыс істейді?

Имплантатталған электродтар қалдық бұлшық ет ұлпасынан нейроналдық сигналдарды ұстап, биологиялық дыбыстан пайдалы сигналдарды ажырату арқылы дәл басқару қамтамасыз етеді.

Остеоинтеграцияланған механоневралдық протез (OMP) қандай артықшылықтар ұсынады?

OMP протез бөліктерін тікелей сүйекке бекіту арқылы жақсырақ тұрақтылық пен жүктеме таралуын қамтамасыз етеді және розеткамен байланысты мәселелерді болдырмақ орын алады.

Бионикалық жігер хирургиясы қозғалысты қалай жақсартады?

AMI процедураларын қоса алғанда, бионикалық жігер хирургиясы табиғи бұлшық ет динамикасын қалпына келтіреді және протез құрылғыларын бақылау мен сезгіштік кері байланысты жақсартады.

Розеткаға негізделген протездерге қарағанда ұлпаға интеграцияланған протездердің қандай артықшылықтары бар?

Ұлпаға интеграцияланған жүйелер қысым нүктелерін болдырмау және табиғи қозғалыс үлгілерін қамтамасыз ету арқылы ыңғайлылықты, тұрақтылықты және басқаруды жақсартады.