Bioingenjörer förbättrar driften av hjärnkontrollerad robotarm

När en person använder en protesarm, särskilt en tankekontrollerad teknik, blir det extremt svårt att ha full motorisk kontroll för att göra saker som att röra eller gripa.

Ett team av bioingenjörer från University of Pittsburgh Rehab Neural Engineering Labs har i en ny Science-artikel beskrivit hur hjärnstimulering som framkallar taktila sensationer kan göra det lättare för en användare att kontrollera en hjärnkontrollerad robotarm.

Grepp- och överföringstid halverad

Teamet genomförde ett experiment som visade att tillägg av artificiell taktil perception till synen halverade tiden det tog att gripa och överföra föremål. Medianvärdet på 20,9 sekunder sjönk till 10,2 sekunder.

Jennifer Collinger är co-senior författare och Ph.D.-associerad professor i Pitts avdelning för fysisk medicin och rehabilitering.

“På sätt och vis är detta vad vi hoppades skulle hända — men kanske inte i den utsträckning som vi observerade”, sa Collinger. “Sensorisk återkoppling från lemmar och händer är oerhört viktig för att göra normala saker i våra dagliga liv, och när den återkopplingen saknas, försämras människors prestationer.”

Studiedeltagaren

Studiedeltagaren var Nathan Copeland, som blev den första personen att få små elektrodelarrayer implanterade inte bara i hans hjärnans motorcortex, utan också i hans somatosensoriska cortex, som är ett område i hjärnan som bearbetar sensorisk information från kroppen.

Arrayerna möjliggjorde för honom att kontrollera robotarmarna med sin hjärna och ta emot taktil sensorisk återkoppling, som också är liknande hur neurala kretsar fungerar.

“Jag var redan extremt bekant med både sensationer som genereras av stimulering och utförandet av uppgiften utan stimulering. Även om sensationen inte är ‘naturlig’ — den känns som tryck och mild stickning — det störde mig inte”, sa Copeland. “Det fanns inte riktigt någon punkt där jag kände att stimulering var något jag måste vänja mig vid. Att utföra uppgiften medan jag fick stimulering gick bara ihop som PB&J.”

Copeland var inblandad i en bilolycka som resulterade i att han hade begränsad användning av sina armar, så han anmälde sig till en klinisk prövning av sensorimotorisk mikroelektrod hjärndatorgränssnitt (BCI). Han fick fyra mikroelektrodelarrayer som utvecklats av Blackrock Microsystems.

BCI-operatören genomgick en serie tester som krävde att han plockade upp och överförde flera föremål från ett bord till en upphöjd plattform. Taktil återkoppling tillhandahölls genom elektrisk stimulering, vilket möjliggjorde för deltagaren att slutföra uppgifter dubbelt så snabbt jämfört med utan stimulering.

Robert Gaunt är co-senior författare och Ph.D.-associerad professor i Pitts avdelning för fysisk medicin och rehabilitering.

“Vi ville inte begränsa uppgiften genom att ta bort den visuella komponenten av perceptionen”, sa Gaunt. “När även begränsad och ofullständig sensation återställs, förbättrades personens prestation på ett ganska betydande sätt. Vi har fortfarande en lång väg att gå i termer av att göra sensationerna mer realistiska och ta denna teknik till människors hem, men ju närmare vi kan komma att återskapa de normala inmatningarna till hjärnan, desto bättre kommer vi att vara.”