Моторика corporate blog
Gadgets
Robotics
Biotechnologies
The future is here
19 December 2017

Детский биоэлектрический протез

Большинство наших протезов — детские. Это механические протезы кисти и предплечья. Биоэлектрический протез Страдивари с лета 2017 тестируют взрослые пользователи.
В новом году мы начинаем разработку детского бионического протеза.



Что мы хотим учесть и над чем будем работать:

1. Проблемы и вызовы
2. Что есть в России и мире
3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, обратная связь, несколько степеней свободы)
4. Дизайн
5. Наше предложение

1. Проблемы и вызовы




Детский протез должен соответствовать возрасту ребёнка по размеру и весу. Вес, помноженный на рычаг гильзы, определяет степень усталости руки. При несоответствии параметров может заметно изменяться осанка, появляются боли в позвоночнике и суставах. Массу биоэлектрического протеза составляет масса аккумулятора, моторов и приёмной гильзы.

В существующих протезах аккумулятор находится в культеприемной гильзе. Чтобы не увеличивать ее, нужен аккумулятор меньшего размера и, соответственно, ёмкости. Можно рассмотреть вариант «горячей» замены аккумулятора (3-4 раза в день), применять тонкопленочные аккумуляторы или дождаться разработки графеновых аккумуляторов (а в перспективе и ядерной батарейки).
С моторами сложнее: мощные+лёгкие = дорогие, а мощность даёт скорость и силу сжатия. Допустим, поступимся силой. Ребёнок сможет выполнять рукой разные манипуляции, даже складывать жесты. Но поднять и удержать что-то тяжелое (хотя бы 2-3 кг) возможности уже не будет. Можно пожертвовать скоростью. Зато надежно и цепко. Тоже спорно. Медленно сгибать и разгибать кисть крайне не удобно, да и не высокотехнологично. Отсутствие дешевых мощных микродвигателей — ключевая проблема в разработке детского протеза. Лишь несколько компаний в мире занимаются разработкой таких двигателей, они применяются в авиации, марсоходах, медицинских роботах.

Вторая проблема — это стоимость и необходимость замены по мере роста ребёнка. Бионические протезы редко вписывают в программу детской реабилитации, несмотря на рекомендации специалистов. Замена гильзы потребуется уже через полгода-год. Модуль кисти станет заметно меньше второй руки через полтора-два года. Стоимость бионического протеза не может быть ниже 200 тыс руб (цена мотор-редукторов, индивидуальное изготовление гильзы). И получается, что такие расходы нужны будут регулярно. Как решить эту проблему?
Мотор-редукторы — их либо 6 (на каждый палец, на большой — два) и есть возможность управлять пальцами отдельно; либо один — тогда рука делает только схват в щепоть. По опыту взрослых пользователей, количество жестов не принципиально, но схват (даже один) должен быть надежным и быстрым.

Гильзы для протезов традиционно дорогие. По общим правилам, они состоят из 2 частей — внешней жесткой несущей гильзы, выполненной из слоистых пластиков или карбона, и внутреннего мягкого вкладыша из силикона или полиуретанов. Материалов и технологий изготовления достаточно много, у каждого есть свои преимущества и недостатки. Изготавливаются гильзы строго по слепку, даже если они предназначены для использования быстрорастущими детьми. Кроме того, постоянное ношение устройства, которое не совсем подходит, может быть болезненным и вызывает разочарование, вплоть до отказа от использования. Классический способ изготовления гильзы — гипс, каркас, смола и ламинирование:


Стоит задача придумать гильзу, которая будет расти с ребенком и настраиваться индивидуально.
Подходящим вариантом будет скелетная система с регулируемым компрессионным гнездом с закрывающим устройством для шнуровки. Эти гнезда расширяются для обеспечения быстро растущей конечности и позволяют использовать протез более длительный период времени между фитингами. Кроме того, скелетная гильза будет существенно легче.




Другой путь решения проблемы — разделить 2 процесса. Гильза делается индивидуально раз в полгода, с соблюдением нового единогласного стандарта в части крепления кисти и размещения датчиков. А модуль кисти заменяется по мере роста ребенка раз в 1,5-2 года и используется повторно другим ребенком. При регулярном ТО модуль прослужит более 5 лет, при этом сохраняется внутренняя механика кисти с обновлением внешнего вида по желанию нового пользователя. Сейчас же после года использования дорогостоящие зарубежные протезы часто лежат на полке.

Третья проблема — хрупкость бионических протезов. Мало того, что они реагируют на влагу и магнитные поля, так и дети используют протез по-разному.
Макс катается на роликах, на хоккейных коньках. Носится, бегает, прыгает. Временами отцепляет руку и использует её как дубину. И тоже самое делают его друзья. Обычный пацан. Не уследить.



Нам нужен прочный, ремонтопригодный протез, желательно влагоустойчивый и моющийся. Иначе протез будет использоваться только по особым случаям.

2. Что есть в России и мире




Протезирование рекомендуют с года, иногда даже полугода. К протезам верхних конечностей дети готовы, когда они начинают сидеть и использовать обе руки — в возрасте от 3 до 7 месяцев. Плюсы раннего протезирования — формирование привычки и симметричное развитие мышц верхнего плечевого пояса. Ребёнку в это время еще сложно справиться с активным протезом.

Косметические протезы — это подобие руки из телесного силикона или ПВХ. Хват такой рукой не сделать, но тяжесть, хоть и небольшая, создаёт нагрузку на мышцы, а ребёнок привыкает к правильным движениям рукой. Косметические протезы включают также в ИПРА детей старшего возраста. Но функционала у такой руки нет, и неподвижная рука манекена выглядит довольно подозрительно, поэтому дети надевают протез редко.

Такой протез довольно просто получить. В России налажено производство по типоразмерам, и в региональных протезных предприятиях обычно даже есть запас силиконовых оболочек на складе. Проблем с бесплатной выдачей так же нет. При самостоятельном приобретении стоимость косметического протеза составит 20-30 тыс.руб.



В Германии существуют косметические протезы с полной детализацией — волоски на коже, акриловые ногти, — их стоимость от 100 000 руб.

Второй вид детских протезов — тяговые (активные). Протезы кисти работают за счёт движения лучезапястного сустава. Предплечья — локтя или другой руки. Плеча — за счёт мышц плечевого пояса. Согнул руку — пальцы сжались. Разогнул — выпрямились. Или наоборот. В соревнованиях Кибатлон и Кибатлетика тяговые протезы пока легко побеждают биоэлектрические. Тяговый протез проще в управлении. Нет задержки в реакции, есть возможность контролировать силу сжатия. При наличии сопротивления, когда предмет жёсткий, возникает своеобразная обратная связь. Минусы тяговых протезов, которые можно преодолеть в биоэлекрическом протезе, — это сила сжатия и потеря степени свободы в лучезапястном/локтевом/плечевом суставе.

Вернемся к тяговым детским протезам, которые существуют в мире.

image

В США распространены протезы-крюки. Между двумя металлическими частями можно зажимать различные вещи, управление осуществляется по тяговому принципу.


В протезных предприятиях России тяговые протезы традиционно делают пятипалыми и используют косметическую оболочку, схват кисти осуществляется за счет движения в локте или плечевом поясе.

image

Мы также делаем протезы антропоморфными, но дизайн при этом далёк от имитации обычной руки. Протез позволяет выполнять схват в щепоть, держать небольшие предметы, есть регулировка силы и очередности сжатия пальцев.

image

Каждый протез оснащается дополнительно функциональными и игровыми насадками — для скакалки, телефона, столовых приборов, фонарика — и даже позволяет играть в компьютерные/мобильные игры.



Тяговые детские протезы делают на open source площадках e-nable, open bionics и robohand.

image

Используется модель единой благотворительной площадки для конструкторов, владельцев 3D-принтеров и детей, которым нужен протез. В открытый доступ выложены файлы для печати элементов на бытовых FDM принтерах. Преимущества Open source в возможности сделать низкой стоимость изделия и привлечь к работе новых людей из других областей со всего мира. Именно robohand вдохновил нас в 2013 году.
Из минусов — низкое качество, отсутствие полноценной технической поддержки, не учитываются сложные индивидуальные особенности культи и нет программы подготовки к протезированию и последующей реабилитации.

Отдельно стоит выделить специализированные “рабочие” протезы. Это протезы для выполнения определенной узкой задачи. Например, катание на велосипеде, стрельба из лука или занятия гимнастикой.

image

И, наконец, детские биоэлектрические протезы.
Такие давно существуют.
Реклама Electrohand 2000 от Оттобока в журнале 1989 года:

image

Протез хорошо зарекомендовал себя в использовании детьми, поэтому за 30 лет он почти не изменился:
image


Около 2 лет существует женский (он же детский) протез BeBionic. Его вес 390 г (на 30% меньше стандартных взрослых моделей), длина 16,5 см. Такая рука может подойти подросткам. Рыночная цена протеза — 1,5-2 млн руб. В прошлом году компанию Steeper (производитель BeBionic) приобрел Otto Bock, возможно, в скором времени путем коллаборации появится новый протез для детей.

image

Детская кисть есть также у Touch Bionics и довольно сильно похожих на них Vincent Systems. Стоимость протеза около 2-4 млн. руб.
Учитывая функциональные ограничения современных протезов — 2 миодатчика, ступенчатый выбор жеста, сложности крепления, низкая надежность и необходимость ежегодной замены — такие расходы кажутся неоправданными.

image

И наш любимый биоэлектрический протез Lego. Его нельзя использовать в жизни, но интересны конструкторские решения.



Коротко, можно выделить 4 класса изделий — косметические, механические, рабочие и миоэлектрические (бионические) протезы руки.

Косметические протезы выполняют декоративную функцию:
image
Преимущества Недостатки
Хорошо зарекомендовали себя при частичной ампутации кистей Отсутствие активного схвата
Небольшой вес Очень ограниченная функциональность
Простота в изготовлении и применении Дорогие индивидуальные силиконовые оболочки
Невысокие расходы на техническое обслуживание
Низкая стоимость (за исключением индивидуальной косметической оболочки)

Механические протезы работают по тяговому принципу:
image
Преимущества Недостатки
Стабильная конструкция Ограниченная сила захвата
Небольшой вес Ограниченная степень движений
Приемлемая цена Система тяг может быть некомфортной и ограничивать движения
Невысокие расходы на техническое обслуживание
Устойчивость к влаге, простой уход

Миоэлектрические протезы обладают более высокой функциональностью и являются на сегодня самыми современными протезами:
image
Преимущества Недостатки
Высокая сила схвата Высокая стоимость
Повышенный комфорт и большая свобода движений Увеличенный вес
Возможность выполнения нескольких жестов в зависимости от модели Хрупкая конструкция
Иногда привлекательный футуристичный дизайн Ненадежность механизма, частый ремонт
Необходимость в заряде аккумулятора

Благодаря множеству материалов в СМИ об очувствлении протезов и управлении силой мысли, кажется, что проблема уже давно решена, и, что используя open source, можно хоть сегодня заказать себе дешёвый, современный протез с полным функционалом.
image
На деле в США (госпиталь Шрайнерс, Лос-Анджелес) делают такие протезы:

image

И это на сегодня, пожалуй, самое функциональное решение для Вадима: тяговые протезы плеча с двумя видами захватов — крюк и крокодил.

3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, обратная связь, несколько степеней свободы)


Учитывая технологические достижения последних 10-15 лет, очевидно, что протезы рук значительно отстают от возможностей нашего времени.
Интересные исследования ведутся во всем мире, но пока совсем рано говорить о массовом использовании:
— инвазивные электроды для управления
— очувствление протеза
— появление новых степеней свободы
— нейроинтерфейсы.

Наиболее интересные и перспективные проекты:

  • DARPA MPL — остеоинтеграция, инвазивное управление, протез полной руки с максимально похожей кинематикой, виртуальное обучение
    image

    Протез плеча обладает 26 степенями свободы, 17 из которых моторизованы, т.е. должны управляться пользователем. Система управления таким протезом построена на реконструктивной хирургии и/или вживляемых в грудные мышцы датчиках.


    Для протеза предплечья и плеча разработчики остановились на поверхностных ЭМГ-электродах в протезе предплечья используются 4 электрода, в плече — 8. Электроды выполнены в виде браслета, который также содержит сборку инерциальных датчиков (гироскопы, акселерометры), что позволяет задавать режимы протезу в зависимости от движения руки в пространстве. Использование большего числа датчиков позволяет вычислять некоторые паттерны фантомных жестов, что существенно увеличивает количество программируемых хватов на 1 режим до 5-6 (вместо 1-2 у коммерческих протезов). Однако же большее число датчиков требует более тонкой настройки и вероятность сбоев и ложных распознаваний увеличивается. Кроме того стоит проблема жесткой фиксации датчиков, что делает использование браслета крайне неудобным (браслет сильно сдавливает руку).
  • OPRA Osseointegration — остеоинтеграция, инвазивное управление
    image
    Особенность протеза заключается в отсутствии культеприемной гильзы, вместо которой использован титановый штырь, вживленный в кость методом остеоинтеграции. Сложности существующих технологий остеоинтеграции заключаются в том, что среднее время жизни титановым имплантов — 5 лет, после чего требуется повторная операция по замене импланта.
  • LifeHand 2 — инвазивное управление, очувствление протеза (интеграция датчиков обратной связи с периферической нервной системой человека)
    Главная цель исследований — создание двунаправленной биологической системы управления протезами. Т.е. одни и те же электрода должны считывать управляющие сигналы с периферических нервов культи, к которым подключены, а также передавать обратное воздействие от датчиков, расположенных в кисти.


Следует понимать, что протезы из представленных трех проектов не коммерциализированы, находятся в стадии разработок и не доступны к установке. Но уже появилась компания, которая хочет представлять протезы LUKE arm (DARPA).
В конструкции протеза DARPA использованы самые передовые военные и гражданские технологии (двигатели, аккумуляторы, материалы), из-за чего стоимость протеза превышает по самым скромным оценкам $100.000

Итак, что могло бы быть:
https://www.youtube.com/watch?v=xPf8TQPfJBc&feature=

4. Дизайн: use your difference


image

По нашему опыту для детей важна не столько функциональность протеза, сколько его внешний вид (хотя для родителей — наоборот). Рука робота, чудо-гаджет, стильный аксессуар — это возможность показать, что быть особенным может быть интересно.
К антропоморфной форме есть много вопросов. Учитывая характер управления и наличие всего 2 каналов передачи информации (традиционные 2 мио датчика), наличие 5 пальцев излишне. Всё, что мы можем делать сейчас, это сгибать и разгибать кисть.

Рука при этом может выглядеть так:

image

Или так:
image
image

Большинство протезов выглядят как обычная рука или, точнее, рука манекена.
Традиционный путь в дизайне протеза — это иммитация кожи. И мы оказываемся в “Зловещей долине”. Не хочется идти этим путем.
Дети гораздо толерантнее и, наверно, эксцентричнее взрослых, которые маскируют травму.

Протез как перчатка:
image

Или рука терминатора:
image

Для Mercedes-Benz Fashion Week в этом году мы делали 2 таких протеза:

image



Интересны варианты, когда есть умная начинка и съемный каркас, который можно менять на свой вкус:

image

5. Наше предложение


Детский протез должен быть меньше, легче, прочнее. Тяговый протез – это удобное простое решение, но все хотят роборуку. Биоэлектрический протез позволит удерживать более тяжелые предметы, обладает большей маневренностью и возможностью жестикуляции.

Протез при этом должен выглядеть круто. Железный человек, Терминатор и Люк Скайуокер показали детям, что это вполне возможно.

Альтернатива на сегодня – косметические протезы, активные тяговые и биоэлектрический протез предплечья от Otto Bock (цена от 500 000 руб).

Что хотим сделать мы: доступный (вернее даже бесплатный по ИПРА) детский электронный протез. В первой версии схват будет один (в силу веса, стоимости и надежности). Он должен интересно выглядеть, пока мы не решили как, спорим; будут съемные, заменяемые детали или даже весь корпус.

Функционал: попробуем выделить важное и возможное уже сегодня.

— держать предметы разной формы (пользоваться столовыми приборами, ручкой, печатать на клавиатуре, держать стилус для сенсорных экранов или сделать проводящую насадку на самом протезе)
— потоковая система управления: скорость и сила сжатия контролируются пропорционально силе сигнала, полученного от мышц
— лучезапястный шарнир, который позволяет выполнять сгибание, разгибание и вращение. Такая гибкость при пользовании протезом позволит избавиться от компенсаторных движений руки и тела
— протез как цифровое устройство с функционалом смартфона.

Кроме того сейчас мы работаем над новой системой снятия сигнала с мышц руки.
Планируем применить это и в детском протезе, использовать сразу 4 ЭМГ датчика нашей разработки, которые позволят распознавать до 10 жестов в режиме реального времени (для протеза предплечья). Такая система управления необходима для создания второй, более функциональной версии протеза. Она будет обладать не только достаточными силовыми характеристиками, но и выполнять определенный набор жестов.

Если Вы хотите присоединиться к разработке или у вас есть идеи по механизму, конструкции, дизайну протеза, опыт использования, приглашаем Вас в наш рабочий чат: t.me/cyborgsamongus
Продолжим обсуждение в формате диалога.


Заключение


Детские протезы могут и должны быть удобнее, полезнее и, наверное, забавнее нынешних. Протез-гаджет, протез-игрушка.
И пока родители задаются вопросом: сможет ли их ребенок с протезом делать то, что и другие обычные дети, — их дети фантазируют о своих сверхспособностях и о том, как можно еще использовать новую «роборуку».

+28
8.9k 14
Comments 29
Top of the day