ความก้าวหน้าของข้อเข่าเทียมชนิดไบโอนิกส์เพื่อประสิทธิภาพการทำงานที่ดียิ่งขึ้น

การควบคุมข้อเข่าเทียมด้วยระบบประสาทผ่านอินเตอร์เฟซขั้นสูง

ระบบเชื่อมต่อกับระบบประสาทช่วยให้ข้อเข่าเทียมสื่อสารแบบเรียลไทม์กับระบบประสาทของผู้ใช้งานได้อย่างไร

อินเตอร์เฟซประสาทกำลังเปลี่ยนวิธีที่เราเชื่อมต่อชีววิทยากับเครื่องจักร โดยพื้นฐานแล้วแปลงพลังงานไฟฟ้าจากกล้ามเนื้อให้กลายเป็นการเคลื่อนไหวจริงสำหรับอวัยวะเทียม เซนเซอร์ขั้นสูงเหล่านี้ภายในเข่าบิโอนิกส์จะตรวจจับการหดตัวของกล้ามเนื้อผ่านเทคโนโลยีที่เรียกว่า EMG แล้วสิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรกับคนทั่วไป? ผู้ใช้งานสามารถปรับท่าเดิน ควบคุมความเร็วในการเดิน และตอบสนองต่อพื้นผิวต่างๆ ได้ภายในเวลาประมาณ 150 มิลลิวินาที ซึ่งเร็วกว่าการกระพริบตาของมนุษย์โดยทั่วไป เนื่องจากระบบการมองเห็นของเรามักใช้เวลานานกว่านั้น งานวิจัยล่าสุดจาก MIT เมื่อปี 2025 ก็แสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจเช่นกัน ผู้ที่สูญเสียแขนขาสามารถหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางได้สำเร็จถึงร้อยละ 92 เมื่อใช้อินเตอร์เฟซใหม่นี้ ในขณะที่อวัยวะเทียมแบบเก่าที่ใช้ข้อต่อเพียงอย่างเดียวทำได้เพียงร้อยละ 67 เท่านั้น ซึ่งแตกต่างกันอย่างมากในชีวิตประจำวัน

การผ่าตัด Agonist-Antagonist Myoneural Interface (AMI) ช่วยปรับปรุงการรับรู้จากกล้ามเนื้อและการควบคุมการเคลื่อนไหวให้แม่นยำยิ่งขึ้น

การผ่าตัด AMI ทำงานโดยการเชื่อมต่อกลุ่มกล้ามเนื้อที่จับคู่กันใหม่ ซึ่งช่วยฟื้นฟูสมดุลตามธรรมชาติระหว่างกล้ามเนื้อที่ทำงานร่วมกันและต่อต้านกัน ผู้ป่วยรายงานว่าได้รับสัญญาณตอบสนองจากเส้นประสาทดีขึ้นประมาณ 40% หลังเข้ารับการผ่าตัดนี้ เมื่อเทียบกับเทคนิคการตัดแขนขาแบบปกติ แล้วในทางปฏิบัตินี่หมายความว่าอย่างไร? ผู้ป่วยสามารถรับรู้ตำแหน่งของข้อต่อและระดับแรงต้านทานที่เผชิญอยู่ได้จริง โดยไม่ต้องใช้ความคิดพยายาม คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นในหัวเข่าปกติ ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Medicine เมื่อปีที่แล้ว ผู้ที่ได้รับการรักษาด้วยวิธี AMI ต้องปรับท่าเดินบนพื้นขรุขระน้อยลงประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ ส่งผลให้การเดินไกลๆ ลดความเหนื่อยล้าทางจิตใจ เนื่องจากสมองไม่จำเป็นต้องคอยแก้ไขทุกครั้งที่สะดุดเล็กๆ น้อยๆ

ประสิทธิภาพทางคลินิกของหัวเข่าบิโอนิกแสดงถึงการรวมตัวกับระบบประสาทและการตอบสนองของผู้ใช้ที่ดีขึ้น

การวิจัยหลังการฝังอุปกรณ์แสดงให้เห็นว่า ผู้ที่ใช้งานหัวเข่าบิโอนิกส์ขั้นสูงเหล่านี้สามารถเดินได้เร็วขึ้นประมาณ 23 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ใช้พลังงานน้อยลงราว 18 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับรุ่นดั้งเดิม สิ่งที่น่าประทับใจที่สุดอาจเป็นผลลัพธ์ที่เกือบ 9 จาก 10 ของผู้ป่วยรู้สึกเชื่อมโยงกับอวัยวะเทียมของตนมากขึ้นภายในครึ่งปี เนื่องมาจากการสื่อสารสองทางระหว่างเซนเซอร์ของอุปกรณ์กับปลายเส้นประสาท นอกจากนี้ยังมีความปลอดภัยเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยในช่วงการทดสอบ ผู้ใช้งานล้มบนบันไดลดลงเกือบ 50% การประสานงานระหว่างสมองกับเครื่องจักรในลักษณะนี้ทำให้แตกต่างอย่างชัดเจนเมื่อต้องเคลื่อนผ่านสิ่งกีดขวางในชีวิตประจำวัน

การปรับตัวควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์สำหรับการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกและประสิทธิภาพการเดิน

อัลกอริทึมการปรับการเดินแบบเรียลไทม์ ทำให้ข้อเข่าบิโอนิกส์สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวได้อย่างไร้รอยต่อ

ข้อเข่าเทียมรุ่นล่าสุดในปัจจุบันใช้โปรเซสเซอร์อัจฉริยะที่ขับเคลื่อนด้วยปัญญาประดิษฐ์ เพื่อตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นใต้ฝ่าเท้าในอัตราประมาณห้าสิบครั้งต่อวินาที เมื่ออุปกรณ์เหล่านี้ตรวจพบการเปลี่ยนแปลงของภูมิประเทศ เช่น ทางลาด ขั้นบันได หรือพื้นผิวขรุขระ มันจะปรับความแข็งของข้อต่อ ปรับมุมการงอ และควบคุมแรงที่จำเป็นในการก้าวเดินไปข้างหน้า งานวิจัยที่เผยแพร่ในปี 2024 ยังแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าประทับใจอีกด้วย โดยผู้ใช้งานข้อเข่าอัจฉริยะเหล่านี้สะดุดล้มน้อยลงอย่างมากเมื่อเดินบนพื้นผิวที่ยากลำบาก เมื่อเทียบกับผู้ที่ใช้ขาเทียมแบบกลไกดั้งเดิม นั่นคือลดการสะดุดลงได้ถึงร้อยละเจ็ดสิบสอง! สิ่งที่ทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ คือ การผสานเทคโนโลยีต่างๆ เข้าด้วยกันอย่างชาญฉลาดและทำงานร่วมกันอย่างไร้รอยต่อ

• หน่วยวัดความเฉื่อย (IMUs) ที่ติดตามตำแหน่งแขนขาในสามมิติ
• เซ็นเซอร์วัดแรงดันที่แมปแรงสัมผัสกับพื้นผิว
• โมเดลการเรียนรู้ของเครื่องที่ทำนายรูปแบบการเดินที่เหมาะสมที่สุด

ลดการใช้พลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพการเดินผ่านระบบควบคุมการเคลื่อนไหวอัจฉริยะ

การทดลองทางคลินิกแสดงให้เห็นว่า หัวเข่าที่ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์สามารถลดค่าใช้จ่ายพลังงานจากการเผาผลาญลงได้ 18–22% ขณะเดิน เนื่องจากกลไกช่วงเหวี่ยงขาที่ถูกปรับแต่งอย่างเหมาะสมและการกู้คืนพลังงานในช่วงยืน

ตามที่แสดงในงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับการควบคุมการเคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์ ระบบนี้สามารถกระจายพลังงานจลน์ใหม่โดยอัตโนมัติระหว่างการเปลี่ยนระดับความลาดเอียง ทำให้สามารถรักษารูปแบบการก้าวเดินตามธรรมชาติได้บนพื้นเอียงที่มีมุมไม่เกิน 15°

การฝังตัวเข้ากับกระดูกและการรวมตัวทางชีวกลศาสตร์กับกล้ามเนื้อและกระดูก

การยึดติดโดยตรงกับโครงกระดูกผ่านข้อเทียมไทเทเนียมช่วยกำจัดความไม่สบายจากเบ้าประดิษฐ์และเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนแรง

ข้อเทียมไทเทเนียมทำงานได้ดีมากสำหรับการยึดติดกับกระดูกโดยตรง เพราะมีช่วงการเคลื่อนไหวเล็กน้อยพิเศษระหว่างประมาณ 30 ถึง 750 ไมครอน ซึ่งช่วยให้กระดูกเจริญเติบโตเข้ากับข้อเทียมในขณะที่ยังคงความมั่นคงของระบบ ผลการทดสอบทางคลินิกแสดงอัตราความสำเร็จประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์สำหรับการรวมตัวแบบนี้ สิ่งที่ทำให้ข้อเทียมเหล่านี้โดดเด่นคือการที่พวกมันสามารถกำจัดปัญหาแผลกดทับที่รบกวนใจจากเบ้าประดิษฐ์แบบเดิมได้อย่างสิ้นเชิง รวมทั้งยังถ่ายโอนแรงได้ดีกว่าอย่างมาก คือดีขึ้นประมาณ 37 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับอุปกรณ์เสริมทดแทนแบบดั้งเดิม พื้นผิวของข้อเทียมเหล่านี้ถูกออกแบบด้วยแนวคิดชีววิทยาวัสดุขั้นสูง ซึ่งหมายความว่าเซลล์จะยึดเกาะได้เร็วกว่า โดยผลการทดสอบระบุว่ากระบวนการนี้เร็วกว่าวิธีมาตรฐานถึง 68 เปอร์เซ็นต์ และในท้ายที่สุดทำให้รูปแบบการเดินของผู้ใช้งานรู้สึกเป็นธรรมชาติมากยิ่งขึ้น

ความทนทานระยะยาวของข้อเข่าเทียมแบบบิโอนิกส์ที่ติดตั้งรวมกัน ช่วยสนับสนุนการเคลื่อนไหวอย่างกระตือรือร้นและไร้อุปสรรค

งานวิจัยที่ดำเนินมาหลายปีแสดงให้เห็นว่าประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ของระบบที่ฝังเข้ากับกระดูกเหล่านี้ยังคงทำงานได้ตามปกติ แม้หลังจากใช้งานประจำวันเป็นเวลาห้าปีเต็ม เหตุผลคือไทเทเนียมสึกหรอช้ากว่า และเมื่อรวมกับการปรับตัวตามธรรมชาติของกระดูกเราแล้ว ก็จะช่วยป้องกันปรากฏการณ์การลดแรงกด (stress shielding) ที่น่ารำคาญใจ แล้วในทางปฏิบัติหมายความว่าอย่างไร? ผู้ใช้งานสามารถรองรับน้ำหนักได้มากขึ้นประมาณ 40% เมื่อวิ่งหรือกระโดด เทียบกับข้อเทียมแบบซ็อกเก็ตเดิมๆ และที่น่าทึ่งไปกว่านั้น ผู้ใช้งานเกือบ 9 ใน 10 คนรายงานว่าไม่มีปัญหาใดๆ กับข้อต่อของตนขณะทำกิจกรรม เช่น การเดินบนพื้นผิวขรุขระ หรือการเล่นกีฬาเบากลางแจ้ง ซึ่งถือว่าน่าประทับใจมากหากพิจารณาโดยรวม

การเพิ่มความสามารถในการรับรู้ตำแหน่งของร่างกายและการรู้สึกเป็นส่วนหนึ่งของผู้ใช้ เพื่อสร้างความมั่นใจในการใช้งาน

การฟื้นฟูระบบการรับรู้ทางประสาทสัมผัสตามธรรมชาติ ช่วยเพิ่มการยอมรับทางจิตใจและการควบคุมการเคลื่อนไหว

ข้อเข่าเทียมรุ่นล่าสุดมาพร้อมอินเตอร์เฟซประสาทขั้นสูงที่เลียนแบบความสามารถในการรับความรู้สึกตามธรรมชาติของร่างกาย อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถรู้สึกได้ว่าขาอยู่ในตำแหน่งใดและเคลื่อนไหวอย่างไร ด้วยเซ็นเซอร์วัดแรงดันในตัว การศึกษาเมื่อปี 2022 ยังเปิดเผยผลลัพธ์ที่น่าทึ่งอีกด้วย ผู้ที่สูญเสียแขนขาและได้รับอวัยวะเทียมรุ่นใหม่นี้ที่มีการตอบสนองทางสัมผัสจริง ทำคะแนนทดสอบสมดุลได้ดีกว่าผู้ที่ใช้อวัยวะเทียมทั่วไปประมาณ 40% และยังปรับตัวได้เร็วกว่าบนพื้นผิวที่ยากลำบากถึงประมาณ 2.3 เท่า ตามผลการศึกษา สิ่งที่ทำให้เทคโนโลยีนี้พิเศษคือ วิธีการทำงานร่วมกันระหว่างอินเตอร์เฟซกับร่างกาย ซึ่งช่วยลดภาระทางจิตใจขณะเดิน การสำรวจทางคลินิกยืนยันเรื่องนี้เช่นกัน โดยผู้ใช้งานเกือบ 8 ใน 10 คน ระบุว่าพวกเขารู้สึกผูกพันกับอวัยวะเทียมของตนมากขึ้น ซึ่งนักวิจัยเรียกว่า "การรับรู้ว่าอวัยวะเป็นส่วนหนึ่งของร่างกาย (limb ownership)"

การเคลื่อนไหวประจำวันที่ดีขึ้นและความมั่นใจในผู้ที่สูญเสียแขนขาจากการใช้ระบบข้อเข่าเทียมที่ตอบสนองได้ดี

การทดลองทางคลินิกโดยใช้ระบบไซเบอร์เนติกส์ขั้นสูงแสดงให้เห็นว่าผู้ใช้งานสามารถบรรลุความสมมาตรของการเดินตามธรรมชาติได้ถึง 92% ในกิจกรรมประจำวัน เช่น การปีนบันได การทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงแสดงให้เห็นว่า:

• ลดการเคลื่อนไหวชดเชยลง 65% (เช่น การยกสะโพก)
• ผู้ใช้งาน 83% รายงานว่ามีความกลัวการล้มบนพื้นลื่นลดลง
  ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นนี้ส่งผลให้จำนวนก้าวเฉลี่ยต่อวันเพิ่มขึ้น 27% ในกลุ่มผู้ใช้งานระยะยาว ตามเกณฑ์การประเมินผลการฟื้นฟูสมรรถภาพ (2023)

ความมั่นคงและการทำงานของข้อเข่าไซเบอร์เนติกส์ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย

ความต้านทานของข้อต่อแบบปรับตัวได้ช่วยลดความเสี่ยงในการล้มระหว่างการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อน

หัวเข่าบิโอนิกขั้นสูงในปัจจุบันรวมเอาตัวดูดซับแรงแบบไฮดรอลิกเข้ากับระบบเรียนรู้อัจฉริยะที่สามารถปรับระดับความต้านทานได้ขณะเคลื่อนไหว อุปกรณ์เหล่านี้วิเคราะห์ข้อมูลจากแผ่นรองใส่ในรองเท้าที่มีเซ็นเซอร์ตรวจวัดแรงกด และเซ็นเซอร์ติดตามการเคลื่อนไหวที่ติดตั้งอยู่ภายในขา เวลาผู้ใช้งานสะดุดหรือเจอพื้นผิวขรุขระโดยไม่คาดคิด หัวเข่าจะเพิ่มความแข็งแรงขึ้นภายในเวลาประมาณครึ่งวินาที เพื่อช่วยรักษาสมดุล งานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วแสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจอย่างมาก โดยผู้ที่สูญเสียขาบริเวณเหนือเข่ามีอัตราการล้มลดลง 38 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเดินบนเส้นทางที่ยากลำบากด้วยหัวเข่าอัจฉริยะเหล่านี้ เมื่อเทียบกับอวัยวะเทียมแบบดั้งเดิมที่ไม่สามารถปรับตัวเองได้

การปีนบันได การเคลื่อนที่บนพื้นเอียง และการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางที่เหนือกว่าในการทดสอบทางคลินิก

โมเดลที่ติดตั้งไมโครโปรเซสเซอร์ขั้นสูงแสดงผลลัพธ์ที่ดีขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อถูกทดสอบในสภาพแวดล้อมจริง การศึกษาล่าสุดปี 2025 จาก MIT พบว่าผู้ใช้งานระบบนี้สามารถขึ้นบันไดได้เร็วกว่าผู้ใช้อุปกรณ์รุ่นเก่าที่ใช้ระบบไฮดรอลิกประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ยังมีข้อผิดพลาดในการเดินบนพื้นขรุขระที่ปกคลุมไปด้วยเศษซากลดลงประมาณ 62% ทีมวิจัยระบุว่าสาเหตุหลักของความก้าวหน้านี้คือเซ็นเซอร์พิเศษที่ติดตั้งอยู่ภายในอุปกรณ์ เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถตรวจจับลักษณะของพื้นผิวที่จะมาถึงได้ โดยสามารถระบุการเปลี่ยนแปลงของความลาดเอียงได้ล่วงหน้าถึง 200 มิลลิวินาที ก่อนที่เท้าของผู้ใช้จะสัมผัสพื้น คำเตือนล่วงหน้านี้ทำให้ระบบสามารถปรับระดับพลังงานได้อย่างเหมาะสม ส่งผลให้การเปลี่ยนผ่านจากพื้นผิวหนึ่งไปยังอีกพื้นผิวหนึ่งเป็นไปอย่างราบรื่น โดยไม่เกิดการหยุดกระทันหันหรือลื่นไถล