В МФТИ создали адаптивный ЭМГ-интерфейс для биопротезов (и не только)

Обучающие тренажёры, новые средства связи, устройства, помогающие передвигаться пожилым или парализованным людям… Всё это может быть создано на основе бионического протеза, который разработали молодые российские учёные.

Да и сам биопротез руки, над которым трудилась команда аспирантов и студентов Московского физико-технического института (МФТИ), уникален. Ведь он способен подстраиваться под конкретного человека, чтобы научиться правильно понимать его намерения и выполнять «мышечные команды».

Тимур и команда

В лаборатории прикладных кибернетических систем меня встречает протянутая рука. Я протягиваю свою, будучи уверенным, что ничего не произойдёт, — рука-то механическая… Однако искусственные пальцы сжимаются, и следует рукопожатие. От протеза тянутся проводки, закреплённые на предплечье стоящего рядом человека. Он шевелит пальцами, а механическая рука в точности повторяет его движения. Именно этот человек только что поздоровался со мной, а биопротез всего лишь воспроизвёл жест рукопожатия.

Однако за этим «всего лишь» — более двух лет исследований. «Наше устройство работает на основе ЭМГ¹-сигналов, — говорит Тимур Бергалиев, 26-летний руководитель лаборатории, в речи которого ещё сохранились слова „фишка“ и „прикольный“. — Так называются биоэлектрические сигналы, возникающие в мышечных клетках. Вот вы делаете жест пальцами или кистью, а в мышцах предплечья возникают биоэлектрические потенциалы. Их можно считывать прямо с поверхности кожи с помощью электродов и преобразовывать в команды. Таким образом, человек с ампутированной конечностью представляет, что он делает какой-то жест (например, поднимает вверх большой палец, которого у него нет), — мышцы на предплечье напрягаются, электрический сигнал считывается и преобразовывается в управляющую команду — биопротез воспроизводит жест».

Идея не нова. Подобные протезы начали использовать ещё 30-40 лет назад. Но у технологии были слабые места. Их и попытались устранить молодые физики из МФТИ.

Первая проблема — ограниченный набор жестов. Самый простой включает в себя только сжатие и разжатие кисти. Можно брать предметы, но не более того. Ребята из МФТИ решили расширить этот набор, увеличив число электродов (а значит, каналов, передающих сигнал), закрепляемых на теле. Их устройство насчитывает четыре канала, но в принципе можно сделать и восемь. А ещё можно использовать токопроводящую резину — гибкую и лёгкую, способную полностью обхватить предплечье и задействовать в управлении протезом большее количество мышц.

Вторая трудность: как заставить бионическую руку слушаться своего носителя? Ведь двигательная активность у всех разная, тут нужен индивидуальный подход. По статистике, только один из пяти биопротезов используется после установки дальше — под остальные инвалидам подстроиться не удаётся. «В чём новизна нашей разработки? Если раньше человек учился управлять протезом и понимать его, то мы сделали систему, которая сама учится у человека, — поясняет Тимур Бергалиев. — При любом движении, жесте наша система фиксирует определённый образец двигательной активности. И привязывает его к нужной команде биопротезу. Так он запоминает все жесты — тот же поднятый палец, сжатие-разжатие кисти или, скажем, поворот ключа в замке. Протез сам подстраивается под человека. В этом наша фишка!»

Язык жестов

В России ежегодно возникает потребность в установке 2-3 тыс. биопротезов. Так что проект разработки (и дальнейшего производства) «умной» биоруки вполне можно считать социально значимым. Однако научные идеи молодых физтеховцев этим не ограничиваются.

«То, чем мы занимаемся, — разновидность человеко-машинного интерфейса (набор средств и решений, помогающих человеку управлять техническими устройствами. — Ред.). А его можно использовать и в других областях, помимо протезирования. Я бы выделил два прикольных направления, — продолжает Бергалиев. - Первое — виртуальная реальность. Это необязательно компьютерные игры. Виртуальная реальность может быть не только развлекающей, но и обучающей. Второе направление — новые средства коммуникации. Представьте, что взвод спецназа выполняет задачу в темноте и полной тишине. Надо как-то передавать команды, информировать друг друга об обстановке. Да хотя бы предупреждать об опасности! Так вот, если установить на тело каждому бойцу такие датчики, можно общаться жестами, не видя и не слыша друг друга. Нужно только заранее договориться о системе жестов».

Ещё одно применение — носимая электроника для спорта и фитнеса. Снимаемые с мышц электросигналы помогут лучше понять их состояние, проследить уровень тренировочной нагрузки на спортсмена и предупредить, если она близка к критической. Ведь объективного способа измерения состояния мышц в процессе тренировок на данный момент не существует.

Наконец, на основе ЭМГ-сигналов можно создавать экзоскелеты — роботизированные устройства, многократно увеличивающие силу мышц за счёт внешнего каркаса. Такие конструкции используются для реабилитации больных, потерявших подвижность. Пригодятся они и перенёсшим инсульт, да и просто пожилым людям, которым стало трудно передвигаться. Напрягаете мышцу на ноге — и каркас, надетый на неё, делает шаг, реагируя на биоэлектрический импульс.

С учётом того, как стремительно стареет население Земли, такие устройства в будущем понадобятся в каждом доме.

⁽¹⁾ ЭМГ — Электромиография (от мио — мышцы и …графо — пишу), метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон; регистрация электрической активности мышц.

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈