От роборуки до бионического протеза

Недавно мы сообщали, что на кафедре теоретической механики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого был создан бионический протез руки. Об особенностях этой уникальной разработки корреспонденту научной части СПбПУ Анастасии Теплухиной рассказал заведующий кафедрой, а также лабораторией “Дискретные модели механики” Института проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН) Антон Кривцов.

– Проект начался с создания на второй школе Фаблаб Политех развлекательного интерактивного экспоната «Роборука». Далее возникло понимание, что наработки проекта можно использовать для разработки бионического протеза. Работа над функциональным протезом ведется при сотрудничестве двух институтов: Политехнического университета и детского ортопедического института Г. И. Турнера. Команда, занимающаяся разработкой, состоит из специалистов различной направленности: присутствуют инженеры в области электроники и 3D печати, дизайнеры, хирурги и нейрофизиологии. Такая многоплановость очень важна, поскольку задача содержит как медицинские, так и технические аспекты. В данном проекте мы стараемся соблюсти комплексный подход, который позволит получить не только механический протез, но и полноценную реабилитацию.

– Что должен «уметь» этот протез?

– Отличительной чертой и одной из главных задач проекта является создание протеза, максимально схожего с человеческой рукой: натуральный внешний вид; натуральные движения; низкий уровень шумов, создаваемых протезом, простая и естественная система управления. Все приведенные характеристики играют важную роль при выборе пациентом протеза того или иного типа (косметический, тяговый, функциональный), не выделяют пациента в обществе, а также позволяют превзойти имеющиеся мировые аналоги.

– Чего удалось добиться при его создании?

– Разработан и собран прототип протеза, обладающий шестью степенями свободы, для конкретного пациента подросткового возраста. Разработан и собран аппаратный комплекс для регистрации электромиографического сигнала с применением двух электродов. Данный комплекс применен для управления протезом. Проведены клинические испытания на пациенте подросткового возраста с врожденным пороком развития (аплазией) верхней конечности на уровне верхней трети предплечья. Протез позволил пациенту осознанно манипулировать предметами, что значительно упростило его повседневную жизнь.

– Как был реализован процесс изготовления протеза?

– Рука изготовлена с использованием технологии 3D печати. 3D-принтер создан студентом 6 курса Дайнисом Дзенушко. Он имеет конструктивные преимущества перед аналогами, и главное – позволяет печатать объекты большого размера.

Ладонь и облицовочный каркас выполнены из пластика T-Glass. Несущий каркас, к которому крепятся двигатели, выполнен из двухмиллиметровых алюминиевых листов. Управление двигателями осуществляется по средствам микроконтроллера Arduino Nano 3.0. Питание осуществляется посредствам внешнего блока, состоящего из LiPol аккумулятора на 2.2мА/ч.

– Как осуществляется управление протезом?

– Управление протезом основано на регистрации электромиографических сигналов с сохранившихся групп мышц. Принцип работы следующий: над группой сохранившихся мышц располагаются миографические электроды, считывающие сигналы сокращения мышц. Далее получаемые сигналы обрабатываются, и формируется в управляющий сигнал для управления движением протеза. Используются датчики с сухим контактом и усилителем, расположенным на электроде, что снижает уровень внешних наводок.

– Какова практическая польза от реализации проекта?

– Проект имеет высокую социальную значимость. Утрата конечности становится для любого человека личной трагедией. К сожалению, в России взамен утраченной руки могут предложить только косметический или тяговый протезы, которые не позволяют возмещать функции руки. Данный проект направлен на создание функционального протеза, который позволил бы в максимальной степени вернуть функции утраченной верхней конечности.

Источник: http://science.spbstu.ru/news/razrabotki-issledovaniya/molodezh_voploshchaet_nauchnye_idei/