Longevity of continuous prosthetic finger control using implanted electromyographic signals without recalibration
Deze studie toont aan dat geïmplanteerde intramusculaire EMG-signalen een stabiele, langdurige continue controle van prothetische vingers kunnen bieden bij zowel een aap als een mens zonder de noodzaak voor decoderrecalibratie, aangezien gebruikers hun spieractivatiepatronen aanpassen om de prestaties gedurende meerdere maanden te behouden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Voor miljoenen mensen die een arm hebben verloren, is de droom van een robotische hand die voelt en beweegt als hun eigen hand lang in de weg gezeten door een frustrerende realiteit: de signalen die de hand vertellen wat hij moet doen, zijn vaak te ruisachtig of te vluchtig om op te vertrouwen. De meest voorkomende protheses van vandaag gebruiken sensoren die op de huid zijn geplakt om spieractiviteit op te vangen, maar deze sensoren kunnen verschuiven, zweten of het contact verliezen, waardoor de gebruiker het apparaat constant moet stoppen en opnieuw moet kalibreren. Deze frequente noodzaak voor aanpassingen, gecombineerd met de moeilijkheid om de diepe, complexe signalen te vangen die nodig zijn om individuele vingers te bewegen, heeft ervoor gezorgd dat geavanceerde robotische handen geen praktische oplossing zijn geworden voor het dagelijks leven. Onderzoekers zoeken al lang naar een stabielere verbinding, een verbinding die de huid volledig kan omzeilen en direct naar de zenuwen en spieren in de ledemaat kan luisteren, in de hoop een signaal te vinden dat stabiel genoeg blijft om een hand te besturen zonder voortdurend geknoei.
In een nieuwe studie hebben wetenschappers een belangrijke stap richting dat doel gezet door aan te tonen dat een robotische hand maandenlang continu kan worden bestuurd zonder ooit opnieuw te hoeven worden gekalibreerd. Het onderzoek betrof twee zeer verschillende deelnemers: een rhesusaap met een intacte arm en een vrouw die haar rechterhand onder de elleboog heeft verloren. Beiden hadden minuscule elektroden chirurgisch diep in hun resterende armspieren geïmplanteerd. Deze elektroden waren ontworpen om te luisteren naar de elektrische impulsen die spieren sturen wanneer ze samentrekken, waarbij de huid wordt omzeild om een duidelijker, directer signaal op te vangen. Het team leerde zowel de aap als de vrouw om een virtuele hand op een scherm te besturen, waarbij ze twee afzonderlijke groepen vingers bewogen—wijsvingers aan de ene kant, en de middelvinger, ringvinger en pink aan de andere kant—om willekeurige doelen te raken die op het scherm verschenen.
De onderzoekers trainden eerst een computerprogramma om de spiersignalen te vertalen naar vingerbewegingen. Ze testten twee verschillende soorten computerprogramma's: één die een eenvoudige, lineaire methode gebruikte om de beweging te raden, en een andere die een complexere, niet-lineaire aanpak gebruikte die ontworpen is om patronen in de loop van de tijd te leren. Wanneer de aap het eenvoudige lineaire programma gebruikte, slaagde het erin de doelen te raken met een prestatieniveau dat 63% zo goed was als zijn natuurlijke hand. De menselijke deelnemer, die hetzelfde type eenvoudige programma gebruikte, bereikte 56% van de prestaties van haar natuurlijke hand. Hoewel het complexere programma de aap hielp nog beter te presteren, maakte het de controle van de mens juist slechter, wat suggereert dat voor een persoon zonder hand een eenvoudiger, voorspelbaarder controlesysteem gemakkelijker te leren en te gebruiken is.
Het meest opmerkelijke deel van de studie kwam daarna. De onderzoekers zetten de mogelijkheid om het computerprogramma te hertrainen uit en vroegen de deelnemers om exact dezelfde instellingen te blijven gebruiken als die ze op de allereerste dag hadden gekregen. Ze observeerden hoe goed de aap en de vrouw de taak konden uitvoeren gedurende de daaropvolgende maanden. De aap gebruikte dezelfde instellingen gedurende 148 dagen, en de vrouw gedurende 283 dagen. Ondanks het feit dat de ruwe spiersignalen van dag tot dag licht veranderden, vertoonden noch de aap, noch de vrouw een significante daling in hun vermogen om de virtuele vingers te besturen. Hun succespercentages bleven hoog, en ze konden de doelen nog steeds met dezelfde snelheid en nauwkeurigheid raken als op de eerste dag.
Deze stabiliteit kwam niet doordat de spiersignalen zelf perfect hetzelfde bleven. Sterker nog, wanneer de onderzoekers de ruwe gegevens nauwkeurig bekeken, zagen ze dat de sterkte van de spiersignalen van dag tot dag aanzienlijk varieerde. In plaats daarvan kwam de stabiliteit van de gebruikers zelf. De studie toonde aan dat zowel de aap als de vrouw onbewust hun spieractivatie aanpasten om te matchen met het specifieke patroon dat de computer verwachtte. Zelfs toen de signalen veranderden, leerden de gebruikers hun spieractiviteit te vormen om bij de oorspronkelijke instructies te passen, waardoor ze de dagelijkse variaties effectief compenseerden. Dit suggereert dat het geheim van een betrouwbare prothetische hand niet alleen het vinden van een perfect, onveranderlijk signaal is, maar eerder het vertrouwen op het opmerkelijke vermogen van het menselijk brein om de eigen bewegingen aan te passen om met het gegeven instrument te werken.
De bevindingen bieden een hoopvol pad voorwaarts voor de prothesetechnologie. Door elektroden direct in de spier te implanteren, creëerden de onderzoekers een verbinding die bijna een jaar lang bruikbaar bleef zonder een enkele herkalibratie. Hoewel de studie werd uitgevoerd in een gecontroleerde omgeving met deelnemers die draden droegen die hen met een computer verbonden, suggereren de resultaten dat de technologie uiteindelijk draadloos, dagelijks gebruik zou kunnen ondersteunen. Het werk benadrukt dat het menselijk lichaam niet alleen een passieve bron van signalen is, maar een actieve partner in het controolproces, in staat om te leren en zich aan te passen om een stabiele verbinding met een machine te behouden. Deze ontdekking brengt het vakgebied dichter bij een toekomst waarin geavanceerde robotische handen erop kunnen worden vertrouwd om betrouwbaar te werken, dag na dag, zonder de constante noodzaak voor aanpassing die hen zo lang heeft gehinderd.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.