Ученые из Чжэцзянского технологического университета разработали сенсорное покрытие для протезов, имитирующее реакцию на болевые раздражители. Статья опубликована в журнале Cyborg and Bionic Systems.
Современные протезы конечностей помогают людям стоять, ходить и бегать. Однако искусственные конструкции не способны предупреждать о чрезмерном давлении на ткани в месте контакта. Избыточное трение культеприемной гильзы о тело приводит к воспалениям и образованию язв. Болевые ощущения напрямую влияют на равновесие человека и нарушают биомеханику движений.
Инженеры разработали бионический датчик для локализации давления и выявления опасных паттернов. Прототип представляет собой сенсорный слой, размещаемый внутри гильзы протеза. Система действует как искусственная кожа, непрерывно контролируя силу и продолжительность механического воздействия. Алгоритм анализирует данные и формирует сигнал о риске повреждения тканей.
Предупреждение об опасности
Датчик использует два пути обработки поступающей информации. Гаптический канал мгновенно сообщает о точном местоположении и интенсивности давления. Второй алгоритм имитирует нейронные связи и суммирует сигналы с разных сенсорных точек с течением времени. В конструкции применяются специальные транзисторы, способные менять реакцию на основе предыдущих данных.
После имитации травмы система снижает порог срабатывания и становится более чувствительной. Слабое давление начинает вызывать более сильную ответную реакцию электроники. В ходе испытаний на роботизированной руке воздействие в 10 килопаскалей в течение 0,21 секунды признавалось безопасным. При сохранении давления до 0,49 секунды робот получал команду отвести манипулятор.
После фиксации первичного повреждения время срабатывания защиты сократилось до 0,06 секунды. Технология была протестирована на трех пациентах с ампутацией ниже колена. Датчики зафиксировали зоны неравномерной нагрузки во время ходьбы, бега и прыжков. Во время пробежки система успешно выявила избыточное поднятие бедра, создававшее давление на переднюю часть культи.
Оповещения позволили участникам эксперимента скорректировать походку и снизить травмирующее воздействие. Прибор правильно определил 86,4% кратковременных и 90,9% длительных дискомфортных состояний. В будущем разработчики планируют миниатюризировать устройство и добавить модуль беспроводной связи. Технология поможет врачам точнее персонализировать настройку гильз.
Ранее в России впервые установили протез тазобедренного сустава с помощью робота.