Tip:
Highlight text to annotate it
X
Tłumaczenie: Marcin Mituniewicz Korekta: Sebastian Misiewicz
Dziś chciałbym opowiedzieć wam
o bionice,
która w popularnym znaczeniu
jest nauką dotyczącą zastępowania części żywych organizmów
urządzeniami mechatronicznymi - robotami.
Krótko mówiąc,
to nauka badająca połączenie organizmu z maszyną.
Szczególnie chciałbym opowiedzieć o tym,
jak bionika rozwija się,
aby pomagać ludziom z amputowanymi rękami.
To jest naszą motywacją.
Amputacja ręki to poważne kalectwo.
Wiąże się z wyraźnym upośledzeniem funkcjonalnym.
Nasze ręce to zadziwiające instrumenty.
Jeśli stracimy jedną z nich, lub co gorsza obie,
znacznie trudniej jest robić rzeczy,
które są dla nas niezbędne.
Dochodzi tu też ogromny wstrząs emocjonalny.
W mojej klinice równie dużo czasu poświęciłem
poprawie emocjonalnej kondycji pacjentów,
co kwestiom fizycznych uszkodzeń.
Mamy wreszcie do czynienia z głębokimi konsekwencjami społecznymi.
Rozmawiamy z pomocą rąk.
Dzięki nim się witamy
i wchodzimy w interakcje z otoczeniem.
Gdy ich zabraknie,
tworzy się bariera.
Najczęstszą przyczyną amputacji jest uraz,
jak podczas wypadków w fabrykach,
wypadków drogowych,
czy, co najbardziej przejmujące, wojen.
Również niektóre dzieci rodzą się bez rąk,
co nazywamy wrodzonym brakiem kończyn.
Niestety, nie idzie nam najlepiej,
jeśli chodzi o protezy kończyn górnych.
Zasadniczo istnieją dwa ich typy.
Są to protezy zasilane energią ciała,
wynalezione tuż po wojnie secesyjnej,
a udoskonalone podczas obu wojen światowych.
Widzimy tu patent
protezy z roku 1912.
Nie różni się za bardzo
od tych, jakimi dysponują moi pacjenci.
Wykorzystują one siłę ramion.
Napięcie ramion powoduje pociągnięcie za linkę rowerową.
Linka ta pozwala na otwieranie i zamykanie dłoni lub haka
czy zginanie ręki w łokciu.
Cały czas są w powszechnym użyciu,
ponieważ to bardzo solidne
i dość proste urządzenia.
Najnowocześniejsze są
tak zwane protezy mioelektryczne.
Są to mechaniczne urządzenia
kontrolowane przez
niewielkie sygnały elektryczne z naszych mięśni.
Za każdym razem, gdy mięsień się kurczy,
emituje słaby prąd, który można
zarejestrować za pomocą anten czy elektrod
i użyć do operowania mechaniczną protezą.
Działają całkiem nieźle
u ludzi, którzy stracili tylko dłoń,
z powodu obecności mięśni tej części ciała.
Gdy zamykamy dłoń, te mięśnie się kurczą.
Gdy ją otwieramy, dzieje się tak ponownie.
Jest to intuicyjne i działa całkiem dobrze.
Co z poważniejszymi amputacjami?
Wyobraźmy sobie utratę ręki powyżej łokcia.
Nie mamy już nie tylko tych mięśni,
ale także samej dłoni i łokcia.
Co można zrobić?
Nasi pacjenci muszą korzystać
ze skomplikowanych systemów
wykorzystujących mięśnie ręki
do operowania robotycznymi kończynami.
Dysponujemy takimi protezami.
Kilka z nich jest w sprzedaży, tu widzimy przykłady.
Składają się z otwierającej i zamykającej się dłoni,
obracającego się nadgarstka i łokcia.
Nie mają innych funkcji.
Jeśli nawet, jak powiedzieć im co miałyby robić?
Naszą rękę zbudowaliśmy w Instytucie Rehabilitacji w Chicago,
poprawiliśmy zgięcie w nadgarstku i stawy ramienne,
dodaliśmy sześć silniczków dla tylu samu stopni swobody ruchu.
Mieliśmy też okazję do pracy z bardzo zaawansowanymi rękami,
sponsorowanymi przez armię, w przypadku tych prototypów
uzyskaliśmy dziesięć stopni swobody ruchu,
z ruchomymi dłońmi włącznie.
Jednak pozostaje ostatnia kwestia,
jak nakazać tym protezom co mają robić?
Jak je kontrolować?
Potrzebujemy interfejsu
pozwalającego na podłączenie się do systemu nerwowego
czy do naszych procesów myślowych,
żeby wszystko działało intuicyjnie i naturalnie,
tak jak u was, czy u mnie.
Ciało funkcjonuje dzięki poleceniom motorycznym z mózgu,
które idą wzdłuż rdzenia kręgowego,
dalej przez nerwy, aż do układu obwodowego.
Bodźce z zewnątrz pokonują odwrotną drogę.
Powstają, gdy się dotkniemy
i wędrują za pośrednictwem tych samych nerwów do mózgu.
Gdy stracimy rękę, ten system nadal działa.
Te nerwy są w stanie wysyłać sygnały.
Jeśli dotknąłbym zakończeń nerwowych
weterana II wojny światowej,
poczułby swoją brakującą rękę.
Można powiedzieć:
skupmy się na mózgu
i umieśćmy w nim coś, co będzie rejestrować sygnały,
to samo można zrobić na zakończeniach nerwów obwodowych.
To fascynujący obszar badań,
ale też naprawdę bardzo trudny.
Trzeba zamontować
setki mikroskopijnych przewodów,
rejestrujących działanie pojedynczych, maleńkich neuronów,
wysyłających równie słabe sygnały,
o napięciu mikrowoltów.
Jest to zbyt trudne
do zastosowania u moich dzisiejszych pacjentów.
Wypracowaliśmy więc inną metodę.
Używamy biologicznego wzmacniacza
działającego na sygnały nerwowe - są to mięśnie.
Mięśnie wzmacniają sygnały nerwowe
mniej więcej tysiąckrotnie,
można więc rejestrować je z powierzchni skóry,
co widzieliście wcześniej.
Naszą metodę nazwaliśmy ukierunkowanym unerwieniem wtórnym.
Wyobraźmy sobie kogoś, kto stracił całą rękę,
ale wciąż ma cztery główne nerwy
biegnące wzdłuż ramienia.
Pozyskujemy nerw z mięśnia klatki piersiowej
i pozwalamy tym nerwom wrosnąć w niego.
Gdy myślimy: "zacisnąć dłoń", niewielki obszar klatki piersiowej napina się
Gdy myślimy: "zgiąć w łokciu",
kurczy się inna część.
Możemy zastosować elektrody czy antenki,
aby wychwycić sygnały i nakazać ręce poruszyć się.
Taka jest idea.
Oto pierwszy człowiek, na którym to wypróbowaliśmy.
Nazywa się Jesse Sullivan.
To wspaniały człowiek.
54 letni elektryk, który dotknął niewłaściwego przewodu
i doznał tak poważnych oparzeń obu rąk,
że trzeba było je amputować przy ramionach.
Jesse trafił do naszego Instytutu,
żebyśmy zamontowali mu nowoczesne protezy, które tu widzicie.
Cały czas używam starej technologii
z linką rowerową, u jego prawego boku.
Za pomocą przełącznika wybiera brodą, który staw poruszyć.
U lewego boku ma nowoczesną mechaniczną protezę
z trzema stawami,
używa małych nakładek na swoim ramieniu,
których dotyka, aby poruszyć ręką.
Jesse jest dobrym operatorem,
spełnił nasze wymagania.
Wymagał też operacji rewizyjnej klatki piersiowej.
To dało nam możliwość
wykonania ukierunkowanej reinnerwacji.
Operację przeprowadził mój kolega, dr Greg Dumanian.
Najpierw wycięliśmy nerw z jego mięśnia,
potem pobraliśmy nerwy z ramienia
i przełożyliśmy je do klatki piersiowej,
następnie zamknęliśmy pacjenta.
Po około trzech miesiącach
nerwy nieco się wrosły i uzyskaliśmy drganie.
Po około pół roku nerwy wrosły się na dobre
i zaobserwowaliśmy silne skurcze.
Tak to właśnie wygląda.
Tak dzieje się, gdy Jesse myśli
o otwarciu i zamknięciu dłoni
lub zgięciu czy rozprostowaniu ręki w łokciu.
Widzimy jak jego klatka piersiowa się porusza,
a te znaczki pokazują
gdzie umieściliśmy antenki i elektrody.
Niech ktoś na tej sali spróbuje
zrobić coś podobnego swoją klatką piersiową.
Jego umysł myśli o jego ręce.
Nie nauczył się tego, co robi ze swoją klatką.
Nie jest to nabyta umiejętność.
Działa to intuicyjnie.
Oto Jesse w naszym pierwszym teście.
Po lewej stronie widzimy pierwotną protezę,
Jesse używa tych przełączników,
aby przełożyć klocki z jednego pudełka do drugiego.
To ramię nosił przez około 20 miesięcy, więc jest w tym niezły.
Po prawej stronie,
dwa miesiące po zamontowaniu protezy ze wsparciem reinerwacji,
która jest taka sama jak ta po lewej,
różnią się jedynie zaprogramowaniem,
widzimy, że jest znacznie szybszy,
a jego ruchy przy przekładaniu klocków są płynniejsze.
Na dziś jesteśmy w stanie wykorzystać tylko trzy sygnały.
Jak to w nauce bywa, spotkała nas niespodzianka.
Nasz cel to użycie poleceń z mózgu
do kierowania robotycznymi protezami.
Po kilku miesiącach,
jeśli dotknęło się Jesse`ego w klatkę,
czuł swoją brakującą rękę.
Czucie powróciło,
zapewne z powodu dużej utraty masy tłuszczowej,
co sprawiło, że mięśnie pokrywała tylko skóra,
którą "odnerwiliśmy".
Dotkniemy Jesse`ego tutaj, poczuje swój kciuk,
dotkniemy go tu, poczuje mały palec.
Odczuwa lekki dotyk,
o nacisku powyżej grama.
Czuje także gorące, zimne, ostre, tępe,
wszystko to w brakującej ręce,
albo jednocześnie w ręce i klatce,
ale może skupić się na każdym z osobna.
Dla nas to naprawdę ekscytujące,
bo teraz mamy drogę,
którą mogą potencjalnie podążać bodźce z zewnątrz,
dzięki czemu Jesse poczuje to, czego dotyka
swoją sztuczną ręką.
Wyobraźmy sobie czujniki w dłoni,
które będą wysuwać się i skanować powierzchnię.
To było bardzo ekscytujące.
Pracowaliśmy też
z naszą pierwotną grupą docelową,
ludźmi z ręką amputowaną powyżej łokcia.
W tych przypadkach również wycinaliśmy nerwy
z niewielkich części mięśnia,
pozostawiając inne,
jak te zarządzające ruchem góra-dół,
czy odpowiadające za zaciskanie i otwieranie dłoni.
To jeden z pierwszych pacjentów, Chris.
Po lewej widzimy go z pierwotnym urządzeniem
po ośmiu miesiącach użytkowania,
a po prawej po dwóch miesiącach.
Jest cztery czy pięć razy szybszy,
co widzimy w tym prostym teście.
W porządku.
Najlepszą rzeczą w mojej pracy
jest obcowanie ze wspaniałymi pacjentami,
którzy pomagają nam w pracy badawczej.
Mamy dziś przyjemność
gościć Amandę Kitts.
Przywitajcie ją, proszę.
(oklaski)
Amando, powiedz nam proszę jak straciłaś rękę?
W 2006 roku miałam wypadek samochodowy.
Jechałam z pracy do domu,
z naprzeciwka nadjechała ciężarówka,
skręciła na mój pas ruchu,
najechała na moje auto, a jej oś odcięła mi rękę.
Po amputacji wyzdrowiałaś.
Potem dostałaś konwencjonalną protezę.
Powiesz nam jak działała?
To było dość trudne,
ponieważ miałam używać tylko bicepsa i tricepsa.
Żeby wykonać prostą czynność, jak podniesienie czegoś,
musiałam zgiąć rękę w łokciu,
następnie napiąć mięsień,
żeby zmienił się tryb działania.
Kiedy to zrobiłam,
musiałam użyć bicepsa,
żeby zamknąć dłoń,
potem tricepsa, żeby ją otworzyć,
znów napiąć mięsień,
żeby zgiąć rękę w łokciu.
Działało to trochę wolno?
Wolno i było dość trudne do opanowania.
Wymagało bardzo dużej koncentracji.
Jakieś dziewięć miesięcy później
poddałaś się ukierunkowanej reinerwacji,
kilka miesięcy zajęło, aby nerwy się odbudowały.
Następnie założyliśmy protezę.
Jak ona działa?
Dobrze.
Mogę zginać rękę w łokciu
i jednocześnie ruszać dłonią.
Steruję nimi za pomocą myśli.
Nie potrzebuję już napinać mięśni i tak dalej.
Trochę szybciej?
Tak. I dużo łatwiej, bardziej naturalnie.
Taki był mój cel.
Przez 20 lat starałem się, żeby pacjenci
mogli sterować ruchem w łokciu i dłoni intuicyjnie,
jednocześnie.
Już 50 pacjentów na całym świecie miało tę operację,
w tym kilkunastu rannych żołnierzy
armii amerykańskiej.
Odsetek zakończonych sukcesem transferów nerwów
jest bardzo wysoki, jakieś 96 %.
Wielki nerw montujemy w niewielkiej części mięśnia.
Pozwala to na intuicyjna kontrolę.
Wszystkie nasze testy funkcjonalne
pokazują, że jest to o wiele szybsze i prostsze.
A co najważniejsze,
nasi pacjenci wysoko to cenią.
Wszystko to jest bardzo ekscytujące.
Ale chcemy zrobić więcej.
Sygnały nerwowe zawierają mnóstwo informacji,
chcemy ich wydobyć więcej.
Można ruszać każdym palcem oraz nadgarstkiem.
Czy można osiągnąć więcej?
Przeprowadziliśmy eksperymenty,
w których nałożyliśmy naszym biednym pacjentom mnóstwo elektrod
a potem poleciliśmy wykonanie dwudziestu kilku zadań,
od kiwania palcem do poruszania całą ręką,
czy sięgania po coś.
Wszystko zarejestrowaliśmy.
Następnie zastosowaliśmy algorytmy,
podobne do tych używanych w rozpoznawaniu mowy,
zwane też rozpoznawaniem wzorców.
Widzicie?
(śmiech)
Na klatce piersiowej Jesse`ego,
gdy chciał wykonać trzy różne czynności,
widzimy trzy różne wzorce.
Ale nie mogę założyć elektrody
i po prostu powiedzieć: "zrób tak".
Podjęliśmy współpracę z kolegami z Uniwersytetu w Nowym Brunszwiku,
którzy opracowali metodę kontroli algorytmicznej,
którą pokaże nam teraz Amanda.
Moja ręką zgina się i prostuje w łokciu,
mój nadgarstek się kręci,
właśnie w ten sposób, nawet na około.
Mogę go zgiąć i rozprostować.
Mogę też zamykać i otwierać dłoń.
Dziękuję Amando.
Ta proteza jest w fazie badań,
ale zbudowaliśmy ją z dostępnych na rynku komponentów,
a także z kilku użyczonych nam, z całego świata.
Waży niecałe 4 kilogramy,
co odpowiada mniej więcej wadze mojej ręki,
gdyby została tu odcięta.
Oczywiście jest ciężka dla Amandy.
Tak naprawdę waży jeszcze więcej,
z powodu jej mocowania.
Całą wagę trzyma specjalna uprząż.
Najciekawszą rzeczą nie jest tu mechatronika,
a możliwość kontroli.
Zaprojektowaliśmy więc mały komputer,
który mruga gdzieś za jej plecami
i wszystkim steruje.
Amanda "trenuje" go,
aby rozpoznawał jej indywidualne sygnały.
Kiedy zaczęłaś używać tej ręki,
jak szybko nauczyłaś się jej działania?
Zajęło mi około trzy-cztery godziny,
żeby ją dostosować.
Musiałam podłączać ją do komputera,
więc nie mogłam trenować gdziekolwiek.
Kiedy przestawała działać, musiałam ją zdejmować.
Teraz mogę trenować
z tym małym urządzeniem na plecach.
Mogę je nosić wszędzie.
Jeśli przestanie działać, mogę je przeprogramować.
Zajmuje mi to minutę.
Jesteśmy podekscytowani,
bo dysponujemy klinicznie przydatnym urządzeniem.
Taki był nasz zamysł -
żeby było praktyczne w noszeniu.
Nauczyliśmy też Amandę używać
bardziej zaawansowanych protez, które widzieliśmy wcześniej.
Tu Amanda używa ręki zrobionej przez Korporację Badawczą DEKA.
Zdaje się, że Dean Kamen prezentował ją parę lat temu w ramach TED.
Widzimy, że Amanda
ma bardzo dobrą kontrolę.
Wszystko dzięki rozpoznawaniu wzorców.
Tą ręką można wykonać kilka różnych chwytów.
Wystarczy, że pacjent się otworzy i pomyśli:
"Jakiego wzorca chwytu teraz potrzebuję"?
Ten tryb się załącza
i można wykonać ręką do pięciu-sześciu różnych chwytów.
Ile udało ci się osiągnąć z pomocą protezy DEKA?
To były cztery chwyty.
Palce na otwartej dłoni, półotwarta pięść,
zaciśnięta pięść
i zetknięcie kciuka z palcem wskazującym.
Ale moim ulubionym trybem była otwarta dłoń,
ponieważ pracuję z dziećmi,
z którymi często klaszczę i śpiewam,
teraz mogę to znów robić, co mnie bardzo cieszy.
Tą ręką za bardzo nie da się klaskać.
Nie da się.
Emocjonujące jest to,
co możemy osiągnąć stosując lepszą mechatronikę,
jeśli będzie wystarczająco dobra,
żeby wypuścić ją na rynek i testować w działaniu.
Patrzcie uważnie.
Oooooh!
To Claudia,
w tej chwili pierwszy raz
poczuła dotyk na swojej protezie.
Na końcu jej sztucznej ręki jest mały czujnik,
którym pocierała różne powierzchnie,
czując odmienne ich struktury,
jak papier ścierny, różne rodzaje żwiru, taśma kablowa,
gdy czujniki na dłoni pobudzały poddane reinerwacji obszary.
Mówiła, że gdy przesuwała dłonią po stole,
czuła jakby drżał jej palec.
To ekscytujący eksperyment laboratoryjny,
pokazujący jak można potencjalnie odtworzyć czucie.
Oto kolejny materiał ukazujący inne nasze wyzwania.
Jesse ściska piankową zabawkę.
Im mocniej to robi, widzimy jak to małe czarne coś po środku
wywiera proporcjonalny do siły zgniatania nacisk na jego skórę.
Popatrzcie jednak na te wszystkie elektrody.
Ich zagęszczenie to spory problem.
Musimy zakładać całe ich pęki,
a silniczki wydają różne dziwne dźwięki,
podobnie jak elektrody.
To co robimy tu, stanowi dla nas wielkie wyzwanie.
Przyszłość jest świetlana.
Duże emocje wzbudza to, co do tej pory osiągnęliśmy i ile jeszcze jest do zrobienia.
Na przykład
musimy zaradzić coś na zagęszczenie elektrod
i wzmocnić sygnały.
Chcemy opracować małe kapsułki
wielkości ziarenka ryżu,
które umieścimy w mięśniach,
które będą przesyłać sygnały EMG,
więc nie trzeba się już będzie martwić elektrodami.
Problem z zagęszczeniem może powrócić
przy odbiorze większej ilości bodźców z zewnątrz.
Chcemy zbudować lepszą protezę.
To ramię - a budowane są one z myślą o przeciętnym mężczyźnie -
jest zbyt duże dla ponad 60 procent ludzi na świecie.
Zamiast superszybkiego czy supersilnego ramienia
konstruujemy takie,
które będzie mogła nosić kobieta o gabarytach,
jakie posiada czwarta część populacji.
Dłoń w tej protezie będzie się obracać,
w pełni otwierać,
będzie miała 2 zakresy swobody ruchu w nadgarstku i łokciu.
Będzie mniejsza i lżejsza,
a także najbardziej "inteligentna".
Jeśli uda się stworzyć małą protezę,
o wiele łatwiej będzie zrobić większe.
To zaledwie kilka z naszych zadań.
Naprawdę doceniamy, że jesteście tu dziś.
Opowiem wam coś o ciemnej stronie całej historii,
o wczorajszym zdarzeniu.
Amanda była zmęczona po locie,
gdy używała ramienia,
wszystko poszło nie tak.
Komputer zaczął dziwnie działać,
zepsuł się przewód,
spalił się transformator.
W hotelu wyjęliśmy cały układ scalony
i prawie uruchomiliśmy alarm pożarowy.
Z żadnym z tych problemów nie poradziłbym sobie
bez mojego genialnego zespołu badawczego.
Wczoraj była z nami dr Annie Simon,
która bardzo ciężko pracowała *** naprawą.
To jest nauka.
Na szczęście dziś zadziałała.
Dziękuję bardzo.
(oklaski)