Robotarme som proteser

Protesearm

Nyheden er udarbejdet på baggrund af artiklen "DARPA joins industry, academia to build better prosthetic arms" af Paul Guinnessy, Physics today, september 2006.

RobotprotesearmKan en protesearm reagere og opføre sig som en biologisk arm? Det vil et såkaldt "Crash Program", der søger at hjælpe amerikanske krigsinvalide, sandsynligvis kunne svare på inden for de næste to år. Bedre beskyttelse af kroppen reder liv blandt de amerikanske tropper i Irak og Afghanistan. Det har dog medført, at det er blevet mere almindeligt med skader, såsom mistede hænder og arme - hver uge mister de amerikanske tropper i Irak legemsdele.

For at forbedre dette har DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) søsat et fire årligt forskningsprogram til $70 millioner, for at bygge en bedre armprotese. Ideen er at designe en arm, der kan gribe og kaste en baseball, spille klaver og plukke en blomst og sætte den i en vase ganske naturligt, som havde det været en rigtig arm. Disse opgaver er for svære for de nuværende proteser. APL-led projektet involverer mere end 30 organisationer og forskningsgrupper.

En hjælpende hånd
Første del af projektet går på at opdele det i to dele. DEKA Research and Development Corp. i Manchester, New Hampshire har fået $18.1 millioner til at gøre de nuværende state-of-the-art legemsdele til kommercielle produkter. APL's medikotekniske afdeling har imidlertid $30,4 millioner til at kortlægge forskningsområder til udvikling af protesearme med omfattende nervestyring.

De såkaldte fase 1 prototyper vil være modulære, så de f.eks. kan bruges til amputationspatienter, som har mistet en hånd, en del af armen over eller under albuen eller hele armen. De moderne proteser vi har i dag, fastgøres eksternt, men de fremtidige passer direkte til det menneskelige skelet via operationsskabte ledskåle. De mest forfinede kunstige arme koster i dag omkring $90.000, og selvom de fremtidige modeller stadig skal kundetilpasses, skulle standardisering gøre dem mindre dyre. Om to år, når DARPA er tilfreds med APL's udvikling, vil laboratoriet få endnu $24,4 millioner gennem projektets anden fase, som stiler efter at skabe komfortable og naturtro robotarme, som ser ud og reagerer som en normal legemsdel - også den måde, hvorpå den transmitterer temperatur og sensoriske data til hjernen.

Kevin Kelley, kontaktpersonen for Otto Bock Health Care i Østrig fortæller, at forskning inden for de øvre legemsdeleproteser er langt bagud i forhold til de nedre legemsdeleproteser. Omkring 80 % af de 1,8 millioner amputationspatienter blandt den amerikanske befolkning har mistet nedre legemsdele, ofte pga. diabetes eller slagtilfælde. Yngre patienter har som regel mistet legemsdele, fordi de har været i krig eller har været ude for en ulykke.

Omdrejningspunktet samt flytning af led i arm og hånd kan beskrives i 22 forskellige bevægelser. I dag kan man vælge mellem følgende arm- og håndproteser: Knibtangsmanøvre, klo og ikke funktionelle kosmetiske proteser. Mere forfinede modeller kræver en serie trækanordninger og løftestænger for at kunne flytte en arm, og de seneste versioner anvender børsteløse motorer og gearkasser gennem tre graders bevægelse. Disse legemsdele påføres vha. velcroveste, men de er ikke populære pga. deres dødvægt, og fordi de ikke føles naturlige. Det er en stor udfordring at skabe en hånd, der kan løfte noget tungt og transformere store mængder af sensoriske data til hjernen. Den bedste hånd pt. kan åbne og lukke som en gribeklo.

Den anden prototype hånd bliver udviklet så den er klar i 2007. Den vil være mekanisk og lavet af silikone, så den minder om en rigtig hånd. Hånden vil indeholde 22 led styret af 11 sener og koblet til brugerens nervesystem. Prototypen vil veje det samme som en almindelig hånd.

Nervestyring
Nogle forskningsgrupper har allerede eksperimenteret med nervestyring.
Jesse Sullivan, som fik begge arme amputeret for fire år siden, har en arm med den traditionelle gribeklo og en myoelektrisk hånd i et hybrid prototypesystem, som blev udviklet på Northwestern University Prosthetics Research Laboratory and Rehabilitation Institute of CJesse Sullivanhicago. Han gennemgik operation i sin venstre side, for at overføre nerveafslutninger af det, der var tilbage i hans skulder til brystmusklerne. Nerverne voksede ind i musklen og transmitterer nu gennem genererede impulser til den mekaniske styring af armen. For at lukke hånden f.eks., forestiller Sullivan sig tanken om, at de transplanterede nerveender i hans bryst rykker på sig, så et signal kan opsamles af elektroder i hans protese og sendes til hans hånd, som så lukker sig.

Han kan gå ud med skrald, barbere sig og tage sine sokker på, men han har ikke fingerfærdigheder til at binde sine sko, plukke en blomst eller kaste en bold. Hans protese er også tung og dyr - $100.000 eksklusiv kirurgi – og kræver hyppig vedligeholdelse.

På kort sigt, for at opnå bedre brugerkontrol over protesearme, ser APL på at kombinere RIC’s teknik med sofistikeret mønster-genkendelses algoritme til at ”gætte” brugerens hensigt fra begrænsede nervers signaler og genforme hånden til f.eks. at tage objekter. På længere sigt ser cortical nerveberøringsplade, hvor nerveimpulser til og fra hjernen bliver opfanget til direkte kommunikation med protesen, ud til at være en bedre idé.

”Det er en udfordrende del af projektet, men cortical plastikkirurgi kan blive nøglen. Vi skal træne legemsdelen og brugeren til både at reagere over for fejl og lære af dem”, siger APL’s James Beaty. ”Når det er installeret, skal systemet arbejde i egentlig tid.”

APL vil også lave en faktisk virkelig efterligning for patienterne til at lære, hvordan de kontrollerer deres kunstige legemsdele. ”Vi har brug for at komme til det punkt, hvor, når nogen skubber til et virkeligt bord, det føles som et bord for brugeren,” siger APL’s James Burck, en systemingeniør.

Et andet fremskridt er at bruge indsprøjtning af muskelcellesensorer (IMES). Partnere i APL-teamet på NUPRL og på Sigenic Inc of Lincolnshire, Illinois, er ved at udvikle centimeter-lange mekanismer, der kan implementeres i de resterende muskler til at opbevare og forøge små nervesignaler direkte fra aktiverede muskler. Forskere på University of Utah og andre steder, er i gang med at udvikle miniature opbevaringssystemer til at skabe adgang til kroppens naturlige nervesignaler til at kontrollere protese legemsdele. Disse forsøg vil gøre de små nervesignalers naturlige transmission til den menneskelige hånd og legemsdelen mere aflæselig,” siger Harshbarger.

Strøm problemer
”Når man ser på den næste generations kunstige legemsdele, har man stadig ét stort problem,” siger Harshbarger, ”hvordan kobler man strøm til?”

Hvor traditionelle protesearme er trænet til kropsbevægelser, vil DARPA’s første prototype være batteridrævet, ligesom state-of-the-art for legemsdele i dag, og fremtidige versioner skal køre på brændselsceller eller små patroner med brintoverilte – som kan skiftes og erstattes næsten så nemt som lommelygtebatterier.
”Vi ser også på om kropsbevægelser kan styrke de små sensorkomponenter og om højt effektive hydrauliske pumper kan bruges (til at flytte legemsdelen),” siger Harshbarger.

Nuværende protesearme kan løfte en max. vægt på omkring 9 kg. DARPA håber at kunne øge det til 27,3 kg., som kræver stærkere, mere effektive motorer og mere kraft. Armen og hånden for Proto-2, der alene vejer 3,2 kg., kan håndtere 22 kg. ”Dette er uhørt for robotarme,” siger Van Doren.

DARPA planlægger at lave designbeslutninger omkring fase-1 protesen i november 2007. Til sidst siger Harshbarger, ”DARPA beslutter måske at (APL-teamet) skal bygge en arm med 15 til 18 graders bevægelse og mindre styrke, som potentielt kan koste mindre pr. system end vores prototyper gør. Disse er den form for systemafvejning, der vil blive fastlagt, mens vi forbereder systemintegrationsplaner for overgangen til fase-2.” I mellemtiden må ingen glemme, hvor fordelagtigt selv en lille fremgang vil være for de tilskadekommende tropper.

Harshbarger siger, ”Jeg har aldrig været med til sådan et ekstremt gavnligt projekt, hvor så mange forskningsgrupper har sat deres konkurrenceforhold til side, for at arbejde frem mod almen velfærd”.