Як міоелектричні руки змінюють життя

Як працюють міоелектричні руки: сигнали ЕМГ і керування м’язами

Наукова основа міоелектричних сигналів (ЕМГ) для керування протезами

Сучасні міоелектричні протези працюють, виявляючи ті крихітні електричні сигнали, які наші м'язи виробляють під час скорочення. Ці сигнали реєструються за допомогою поверхневих електродів, розташованих на тій частині кінцівки, що залишилася після ампутації. Електроди можуть фіксувати дуже слабкі імпульси у діапазоні приблизно від 0,1 до 5 мілівольт, що надходять як від згинальних, так і від розгиначів м'язів. Потім настає найцікавіша частина — ці сигнали обробляються за допомогою досить складних алгоритмів машинного навчання, які перетворюють їх на потрібні рухи кисті. Минулого року в журналі Nature було опубліковано одне цікаве дослідження, результати якого вражають. Вчені досягли майже 95% точності у передбаченні різних типів хватання лише на основі цих м’язових сигналів. І це не просто теорія. Ми вже починаємо бачити, як ці технології реалізуються в нових моделях протезів, де люди можуть окремо керувати кожним пальцем, що значно полегшує виконання повсякденних завдань.

Як скорочення м'язів запускає рух у міоелектричних протезах

Люди запускають рух, виконуючи певні скорочення м'язів. Наприклад, скорочення біцепса приблизно на 20% може призводити до згинання кисті, тоді як активація трицепса на рівні близько 15% зазвичай спричиняє її розгинання. Більш досконалі системи фактично можуть виявляти понад 14 різних м'язових сигналів, що дозволяє користувачам виконувати складні завдання, такі як обертання зап'ястя або регулювання сили хвату. Згідно з деякими дослідженнями, опублікованими в галузі нейроінженерії та реабілітації, сучасні технології обробки реагують приблизно за 50 мілісекунд. Це майже втричі швидше, ніж у 2019 році, що свідчить про значний прогрес у цій галузі.

Порівняння міоелектричних кінцівок із традиційними протезами

Міоелектричні варіанти зменшують стомлюваність користувача на 28,6% порівняно з керованими тросами моделями (Ponemon 2023), хоча вимагають щотижневого заряджання.

Постійні покращення міоелектричних протезів підвищують надійність

Нові електроди, стійкі до вологи, зберігають точність сигналу на рівні 98% навіть під час інтенсивного фізичного навантаження — це важливе покращення порівняно з показником старих моделей у 72% відмов у вологих умовах. Модульні конструкції тепер дозволяють користувачам замінювати пальці або сенсори без повної повторної калібрування системи, що скорочує витрати на обслуговування на 740 доларів щороку (NIH 2024).

Штучний інтелект і машинне навчання: розумніше, адаптивне керування міоелектричними руками

Сучасні міоелектричні руки тепер поєднують Керування на основі штучного інтелекту з розпізнаванням зразків із сигналами поверхневої електроміографії (sEMG) для досягнення на 40% швидшої реакції порівняно з моделями першого покоління (Журнал нейроінженерії, 2023). Ця інтеграція дозволяє протезам адаптуватися до індивідуальних патернів активації м'язів користувача, а не покладатися на передпрограмовані жести.

Як сучасні протези та штучний інтелект забезпечують розумніші рухи рук

Алгоритми машинного навчання декодують незначні варіації сигналів ЕМГ, що дозволяє точно перемикати хват між делікатними завданнями (тримання яйця) та силовими завданнями (підняття продуктів). Дослідники з Лабораторії нейропротезування Стенфорда нещодавно продемонстрували системи, які класифікують 12 окремих рухів руки з точністю 96% шляхом безперервного моніторингу ЕМГ.

Адаптивні алгоритми навчання, які покращуються з часом

Ці протези використовують нейронні мережі, які вдосконалюють прогнозування рухів у процесі повсякденного використання. Клінічні випробування 2023 року показали, що користувачі отримали 72% покращення у плавності протягом шести місяців, оскільки алгоритми навчилися розпізнавати їхні унікальні моделі м’язової втоми та змінні середовища, такі як температура й вологість.

Роль машинного навчання у передбаченні намірів користувача

Сучасні системи тепер передбачають дії за допомогою обробки, що враховує контекст, — автоматично перемикаючись на міцне хапання при виявленні руху руки вниз у бік пляшки з водою, а потім розслаблюючись після виявлення вертикального підйому. Ця передбачувальна здатність зменшує когнітивне навантаження, інтерпретуючи послідовності рухів замість окремих команд.

Дослідження випадку: реальна продуктивність міоелектричних рук із штучним інтелектом

Польове дослідження тривалістю 12 місяців відстежувало 45 користувачів, які виконували стандартизовані тести на спритність. Учасники, які використовували адаптивні моделі ШІ, виконували складні завдання (защіплювання ґудзиків, використання паличок) 2,3 раза швидше порівняно з тими, хто використовував традиційні міоелектричні руки, причому 89% повідомили про зниження м’язової втоми під час таких дій, як тривале використання.

Відновлення відчуття дотику: тактильний зворотний зв'язок і нейронна інтеграція

Як тактильний зворотній зв'язок відновлює відчуття дотику

Сучасні міоелектричні протези все частіше використовують механізми тактильного зворотного зв'язку. Ці механізми допомагають забезпечити відчуття дотику за допомогою таких елементів, як:

• Модуляція зусиль (виявлення тиску хвату)
• Пропріоцептивні сигнали (відчуття положення кінцівки без візуального сприйняття)
• Термічне сприйняття (відчуття різниці температур)
• Текстурний зворотний зв'язок (виявлення текстур поверхонь)

Клінічне дослідження, опубліковане в Журналі з нейроінженерії підкреслює, що тактильний зворотний зв'язок може відігравати ключову роль у покращенні функціональних можливостей та якості життя ампутантів, роблячи взаємодію з об'єктами більш інтуїтивною.

Методи нейральних інтеграцій, що моделюють природне відчуття

Нові технології нейроінтерфейсів дають змогу протезам моделювати природні відчуття за допомогою імплантованих електродів. Вони можуть декодувати слабкі нервові сигнали, передаючи відчуття тиску та текстури. Дослідження показують, що пацієнти часто розпізнають та розрізняють об’єкти з високою точністю після переосмислення мозком посиленого сенсорного введення.

Революція у емоційному зв'язку завдяки сучасним протезам

Особи, які використовують сучасні міоелектричні протези, відзначають значне покращення здатності взаємодіяти в соціальних контекстах і відновлення навичок для повсякденних завдань. Відгуки підкреслюють помітну різницю в соціальній впевненості: користувачі більше беруть участь у соціальних взаємодіях, повідомляють про зменшення почуття неповноцінності та покращення якості життя. Батько зазначив, що його дитина більше не відчуває потреби ховати свій протез руки, що значно підвищило її впевненість.

Розділ запитань та відповідей

Що таке міоелектричні протези?

Міоелектричні протези — це сучасні штучні кінцівки, які використовують електричні сигнали від м’язів кульші користувача для керування та забезпечення руху.

Як працюють міоелектричні протези?

Ці протези використовують мікродрібні електричні сигнали від частково скорочених м’язів, які виявляються поверхневими електродами. Сигнали обробляються алгоритмами машинного навчання для виконання потрібних рухів кисті.

Як штучний інтелект покращує міоелектричні протези?

Штучний інтелект покращує міоелектричні руки, забезпечуючи швидшу реакцію, адаптивне розпізнавання зразків і здатність навчатися на основі унікальних зразків активації м'язів користувача, що робить рухи руки розумнішими та інтуїтивнішими.

Що таке тактильний зворотний зв'язок у міоелектричних руках?

Тактильний зворотний зв'язок у міоелектричних руках надає користувачам відчуття дотику за допомогою механізмів, таких як модуляція сили, пропріоцептивні сигнали, виявлення температури та вібраційний тактильний зворотний зв'язок, щоб імітувати природні відчуття.

Як міоелектричні протези порівнюються з традиційними протезами?

Міоелектричні протези керуються за допомогою м'язових сигналів, тоді як традиційні протези з тяговим механізмом використовують канатно-ремінні системи. Сучасні міоелектричні протези пропонують більше типів хвату, автоматичну регулювання зусиль і, як правило, потребують менше часу на щоденне налаштування, ніж традиційні моделі.