“We konden de eerste volledige neurale controle van robotlopen aantonen”, zegt Hyungyeon Song, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker aan het MIT.
De meeste moderne prothetische ledematen vertrouwen op voorgeprogrammeerde robotcommando’s in plaats van op de hersensignalen van de gebruiker. Geavanceerde robottechnologieën kunnen de omgeving waarnemen en herhaaldelijk een vooraf bepaalde beenbeweging activeren om iemand te helpen over dit soort terrein te navigeren.
Maar veel van deze robots werken het beste op een vlakke ondergrond en hebben moeite met het overwinnen van veelvoorkomende obstakels zoals hobbels of plassen. De persoon die de prothese draagt, heeft vaak geen invloed op het aanpassen van de prothese als deze eenmaal is verplaatst, vooral als reactie op plotselinge veranderingen in het terrein.
“Als ik loop, voelt het alsof ik loop omdat het algoritme commando’s naar de motor stuurt, en dat doe ik niet”, zegt Hugh Hare, hoofdonderzoeker van het onderzoek en hoogleraar mediakunst en -wetenschappen aan het MIT. Een pionier op het gebied van biomechatronica, een vakgebied dat biologie combineert met elektronica en mechanica. De benen van Herr zijn enkele jaren geleden onder de knie geamputeerd vanwege bevriezing, en hij maakt gebruik van geavanceerde robotprothesen.
“Er is een groeiend aantal bewijzen [showing] “Wanneer je de hersenen verbindt met een mechatronische prothese, ontstaat er een belichaming waarbij het individu de prothese ziet als een natuurlijk verlengstuk van zijn lichaam”, aldus Hare.
De auteurs werkten met 14 deelnemers aan de studie, van wie de helft amputaties onder de knie kreeg via een aanpak die bekend staat als stimulator-antagonist myoneural interface (AMI), terwijl de andere helft traditionele amputaties onderging.
“Wat hier zo cool aan is, is hoe het chirurgische innovatie combineert met technologische innovatie”, zegt Connor Walsh, professor aan de Harvard School of Engineering and Applied Science, die gespecialiseerd is in de ontwikkeling van draagbare hulprobots en niet bij het onderzoek betrokken was.
De AMI-amputatie is ontwikkeld om de beperkingen van traditionele beenamputatiechirurgie aan te pakken, waarbij belangrijke spierverbindingen op de amputatieplaats worden doorgesneden.
Bewegingen worden mogelijk gemaakt door de manier waarop spieren in paren bewegen. Eén spier – bekend als de excitatiespier – trekt samen om een ledemaat te bewegen en een andere – bekend als de antagonistspier – wordt als reactie hierop langer. Tijdens een biceps curl-oefening zijn de biceps bijvoorbeeld de triggerspier omdat deze samentrekt om de onderarm omhoog te tillen, terwijl de triceps de antagonist is omdat deze langer wordt om de beweging mogelijk te maken.
Wanneer chirurgische amputatie ertoe leidt dat spierparen worden doorgesneden, wordt het vermogen van de patiënt om spiersamentrekkingen te voelen na de operatie aangetast, en als gevolg daarvan wordt zijn vermogen om accuraat en precies aan te voelen waar zijn prothese zich in de ruimte bevindt, aangetast.
Daarentegen verbindt AMI de spieren in de restledemaat opnieuw om de waardevolle spierfeedback te reproduceren die een persoon krijgt van de intacte ledemaat.
De studie maakt “deel uit van een beweging voor de volgende generatie prothetische technologieën die zich richten op sensatie, en niet alleen op beweging”, zegt Eric Rombukas, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Washington, die niet bij het onderzoek betrokken was.
De AMI-procedure voor amputatie onder de knie is vernoemd Peter Ewing Na Jim Ewing, de eerste persoon die de procedure in 2016 onderging.
Patiënten die een Ewing-amputatie ondergingen, ervoeren minder spieratrofie in hun resterende ledemaat en minder fantoompijn, het gevoel van ongemak in een ledemaat dat niet meer bestaat.
De onderzoekers voorzagen alle deelnemers van nieuwe bionische ledematen, bestaande uit een enkelprothese, een apparaat dat de elektrische activiteit meet van spierbewegingen en elektroden die op het huidoppervlak worden geplaatst.
De hersenen sturen elektrische impulsen naar de spieren, waardoor deze samentrekken. Contracties produceren hun eigen elektrische signalen, die worden gedetecteerd door elektroden en naar kleine computers worden gestuurd die aan de prothese zijn bevestigd. Computers zetten deze elektrische signalen vervolgens om in kracht en beweging voor de prothese.
De prothese gaf haar de mogelijkheid om beide voeten te richten en weer dansbewegingen uit te voeren, zei Amy Pietravetta, een studiedeelnemer die een Ewing-amputatie onderging na ernstige brandwonden.
“De mogelijkheid om dat soort flexibiliteit te hebben, maakte het realistischer”, zei Pietrafitta. “Het voelde alsof alles er was.”
Dankzij verbeterde spiersensaties konden deelnemers die de Ewing-amputatie ondergingen hun bionische ledematen gebruiken om sneller en met een natuurlijker looppatroon te lopen dan degenen die traditionele amputaties ondergingen.
Wanneer iemand moet afwijken van het normale looppatroon, moet hij meestal harder werken om zich te verplaatsen.
“Dit energieverbruik… zorgt ervoor dat ons hart harder werkt en dat onze longen harder werken… en kan leiden tot progressieve vernietiging van de heupgewrichten of de onderrug.
Patiënten die de amputatie van Ewing en de nieuwe prothese ondergingen, konden zich ook gemakkelijk op hellingen en trappen verplaatsen. Ze konden hun voeten soepel aanpassen om zichzelf de trap op te stuwen en schokken te absorberen tijdens het afdalen.
De onderzoekers hopen dat de nieuwe prothese binnen vijf jaar commercieel verkrijgbaar zal zijn.
“We beginnen een glimp op te vangen van deze glorieuze toekomst waarin een persoon een aanzienlijk deel van zijn lichaam kan verliezen, en er is technologie beschikbaar om dat aspect van zijn lichaam weer volledig te laten functioneren,” zei Hare.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
