Протез може допомогти людям знову стояти, ходити або бігати. Але він не завжди може попередити, коли його кріплення занадто сильно тисне на шкіру залишкової кінцівки.

Це важливо, оскільки надмірний або нерівномірний тиск, де протез контактує з тілом, може викликати дискомфорт, запалення та виразки. Це також може вплинути на баланс і рух.

Вчені в Китаї розробили біонічний сенсор, який виявляє тиск і визначає патерни, які можуть сигналізувати про шкоду.

Пристрій, описаний у дослідженні, було протестовано на роботизованій руці та в невеликому дослідженні з участю людей з ампутацією нижніх кінцівок.

Прототип не є повноцінною протезою. Це сенсорний шар, призначений для розміщення всередині кріплення, між протезом і залишковою кінцівкою. Він діє як штучна шкіра, контролюючи, де кріплення тисне, з якою силою і протягом якого часу.

Короткий, 'нешкідливий' тиск обробляється як звичайний дотик.

Але тиск, який триває, повторюється або накопичується в кількох місцях, може спровокувати раннє попередження про те, що тканина може бути під загрозою.

Сенсор використовує два доповнюючі шляхи. Гаптичний шлях швидко повідомляє про місцезнаходження та інтенсивність тиску. Шлях, натхненний болем, об'єднує сигнали з часом і з різних точок чутливості.

Він використовує матеріал, чутливий до тиску, і транзистори, схожі на синапси – електронні компоненти, чия реакція може змінюватися залежно від отриманих раніше сигналів.

Це надає системі просту форму пам'яті. Після введення, схожого на травму, її реакція на попередження стає більш чутливою, тому слабший тиск може викликати сильнішу реакцію пізніше.

"Пристрій не відчуває болю і не викликає болю у користувача", – сказав старший автор Хуапінг У, механічний інженер з Університету технологій Чжецзян.

"Натомість він відтворює вибрані функції обробки інформації, пов'язані з ноцицепцією, включаючи пороги стимулів, тимчасову та просторову суммацію, пам'ять і сенсибілізацію."

Біологічний біль є набагато складнішим, оскільки включає нерви, спинний мозок, мозок, емоції та свідомий досвід. Пристрій виробляє функціональне попередження, а не біль.

Дослідники спочатку розмістили масив з чотирьох сенсорів на роботизованій руці. Система вважала 10 кілопаскалів тиску, що застосовувався протягом 0,21 секунди, безпечним. Однак, коли той же тиск тривав 0,49 секунди, сигнал накопичувався, перетворювався на попередження і змушував руку відступити.

Після цього події, схожої на травму, той же тиск викликав відступ за 0,06 секунди. Це імітувало підвищену чутливість тіла після травми, але не означало, що робот пам'ятав свідомо або відчував біль. Його швидша реакція була результатом інженерної зміни порогу попередження.

Команда потім встановила сенсори всередині кріплень нижньої частини ноги трьох учасників і записала тиск, поки вони сиділи, ходили, піднімалися по сходах, стрибали і бігали.

Чотири точки чутливості були розміщені в місцях, схильних до тиску, вибраних за допомогою анатомії та звітів учасників про щоденний дискомфорт.

Під час бігу пристрій виявив надмірне підняття стегна, щоб допомогти протезу ноги очистити землю. Це призвело до нерівномірного навантаження і збільшення тиску на передній частині залишкової кінцівки. Зворотний зв'язок системи допоміг учасникам відрегулювати свою ходу і зменшити надмірний рух стегна.

Щоб порівняти його попередження з оцінками людей, дослідники використовували числові оцінки дискомфорту учасників і оцінки спостерігачів за виразами обличчя. Об'єднання сигналів у просторі та часі правильно ідентифікувало 86,4 відсотка короткочасних дискомфортних подій і 90,9 відсотка тривалих.

Ці цифри описують угоду в цих тестах, а не задоволення користувачів. У статті не повідомляється, скільки часу учасники носили систему загалом, або включено опитування задоволеності, тому поки що не можна показати, чи знайдуть користувачі її комфортною або практичною в повсякденному житті.

Інші протези відновлювали зворотний зв'язок по-іншому.

Біонічна рука, підключена до кісток, м'язів і нервів користувача, забезпечила обмежений дотик, тоді як сенсорна протеза ноги перетворювала тиск під штучною ногою на сигнали, що надсилаються до нервових закінчень.

Цей пристрій натомість контролює приховану взаємодію між залишковою кінцівкою і кріпленням, де тривале або нерівномірне навантаження може пошкодити тканини.

Попередження можуть спонукати користувачів змінити положення, відрегулювати свою ходу, відпочити або перевірити кріплення. Записані патерни також можуть допомогти клініцистам персоналізувати налаштування кріплення та тренування ходи.

Результати залишаються попередніми, і дротовий прототип повинен бути мініатюризований у компактну, низькопотужну бездротову систему.

"Необхідно також забезпечити медичний захист, надійне кріплення та стабільність під час повторного навантаження, поту, зміни температури та деформації кріплення", – сказав У.

Потрібні більші та триваліші дослідження з різними ампутаціями та дизайнами кріплень, щоб визначити, чи покращує система комфорт, захист тканин і реабілітацію.

Якщо вона виявиться надійною, ця штучна шкіра може попереджати користувачів протезів про небезпечний тиск до того, як дискомфорт перетвориться на травму.

Дослідження було опубліковано в Cyborg and Bionic Systems.