Современные бионические протезы рук по ловкости, количеству степеней свободы и возможностям почти не уступают естественным аналогам. Однако многие люди, потерявшие конечность, отказались от продвинутых бионических рук. «До 50% людей с ампутацией верхних конечностей бросают эти протезы и больше никогда ими не пользуются», — говорит Джейк Джордж, инженер-электрик и компьютерщик из Университета Юты.
Основная проблема бионических рук, отталкивающая пользователей, заключается в сложности управления ими. «Наша цель состояла в том, чтобы сделать такие бионические руки более интуитивными, чтобы пользователи могли выполнять свои задачи, не задумываясь об этом», — говорит Джордж. Для достижения этой цели его команда разработала бионическую руку с ИИ-помощником.
Проблемы с управлением бионическими руками в основном связаны с отсутствием у них автономии. Захват бумажного стаканчика без его сдавливания или ловля мяча на лету кажутся нам легкими, потому что наши естественные движения опираются на сложную систему рефлексов и обратной связи. Когда предмет, который вы держите, начинает выскальзывать, крошечные механорецепторы в кончиках пальцев посылают сигналы в нервную систему, заставляя руку сильнее сжиматься. Все это происходит за 60-80 миллисекунд — еще до того, как вы это осознаете. Этот рефлекс — лишь один из многих способов, которыми ваш мозг автоматически помогает вам в задачах, требующих ловкости.
Большинство коммерчески доступных бионических рук не имеют такого встроенного автономного рефлекса — всем должен управлять пользователь, что делает их использование чрезвычайно трудоемким. Чтобы понять, насколько это сложно, представьте, что вам нужно точно регулировать положение 27 основных суставов и выбирать соответствующую силу для каждого из 20 мышц, присутствующих в естественной руке. Не помогает и ограниченная пропускная способность интерфейса между бионической рукой и пользователем.
В большинстве случаев пользователи управляли бионическими руками через приложение, где они могли выбирать предопределенные типы захвата и регулировать силы, прикладываемые различными актуаторами. Немного более естественной альтернативой является электромиография, при которой электрические сигналы от оставшихся мышц преобразуются в команды, которым следует бионическая рука. Но и это было далеко от совершенства. «Чтобы схватить предмет, нужно протянуть руку к нему, напрячь мышцы, а затем просто сидеть и концентрироваться на удержании мышц в точно таком же положении, чтобы поддерживать тот же захват», — объясняет Маршалл Траут, исследователь из Университета Юты и ведущий автор исследования.
Чтобы создать свою «интуитивную» бионическую руку, Джордж, Траут и их коллеги начали с оснащения ее специальными датчиками.
Исследователи начали свою работу с модификации одной из коммерчески доступных бионических рук, заменив ее кончики пальцев датчиками давления и приближения, обернутыми силиконом. Это позволило руке определять, когда она приближается к объекту, и точно измерять силу, необходимую для его удержания, не раздавливая и не позволяя ему выскользнуть. Для обработки данных, собранных датчиками, команда создала ИИ-контроллер, который управлял суставами и регулировал силу захвата. «Мы держали руку неподвижно и двигали ее вперед-назад, чтобы кончики пальцев касались объекта, а затем отводили руку», — говорит Траут.
Повторяя эти движения вперед-назад бесчисленное количество раз, команда собрала достаточно обучающих данных, чтобы ИИ мог распознавать различные объекты и переключаться между различными типами захвата. ИИ также управлял каждым пальцем индивидуально. «Таким образом, мы добились естественных паттернов захвата», — объясняет Джордж. «Когда вы подносите объект к руке, она естественно адаптируется, и каждый палец действует самостоятельно».
Хотя подобный автономный захват демонстрировался и раньше, совершенно новым подходом команды стало решение вопроса о том, кто управляет системой. Предыдущие исследовательские проекты, посвященные автономным протезам, полагались на то, что пользователь сам включал и выключал режим автономии. В отличие от этого, подход Джорджа и Траута сосредоточен на совместном управлении.
«Это тонкий способ помощи со стороны машины. Это не беспилотный автомобиль, который едет сам, и не помощник, который возвращает вас на полосу, когда вы поворачиваете руль без включения указателя поворота», — говорит Джордж. Вместо этого система тихо работает в фоновом режиме, не создавая ощущения борьбы с пользователем или перехвата управления. Пользователь всегда остается главным и может усилить или ослабить захват, или отпустить предмет, чтобы он упал.
Чтобы протестировать свою руку с ИИ, команда попросила участников с целыми конечностями и ампутантов манипулировать хрупкими предметами: поднять бумажный стаканчик и выпить из него, или взять яйцо с тарелки и положить его в другое место. Без ИИ они добивались успеха примерно 1-2 раза из 10 попыток. С включенным ИИ-помощником их процент успеха подскочил до 80-90%. ИИ также снизил когнитивную нагрузку участников, то есть им приходилось меньше концентрироваться на работе руки.
Но мы все еще далеки от бесшовной интеграции машин с человеческим телом.
«Следующим шагом будет вывод этой системы в реальный мир и предоставление возможности кому-то использовать ее в домашних условиях», — говорит Траут. До сих пор производительность бионической руки с ИИ оценивалась в контролируемых лабораторных условиях, с использованием настроек и объектов, которые команда специально выбрала или разработала.
«Я хочу оговориться, что эта рука не так ловка и не так проста в управлении, как естественная, здоровая конечность», — предостерегает Джордж. Он считает, что каждое небольшое улучшение в протезировании позволяет людям с ампутацией выполнять больше задач в повседневной жизни. Тем не менее, чтобы достичь уровня технологий из «Звездных войн» или «Киберпанка», где бионические протезы так же хороши или лучше естественных конечностей, нам потребуются нечто большее, чем просто постепенные изменения.
Траут говорит, что в области робототехники мы почти достигли этого. «Эти протезы очень ловкие, с высокой степенью свободы, — говорит Траут, — но нет хорошего способа ими управлять». Отчасти это связано с проблемой получения и передачи информации от самих пользователей. «Электромиография на поверхности кожи очень шумит, поэтому улучшение этого интерфейса с помощью внутренней электромиографии или нейронных имплантатов может значительно улучшить уже существующие алгоритмы», — утверждает Траут. Именно поэтому команда в настоящее время работает над технологиями нейронных интерфейсов и ищет промышленных партнеров.
«Цель состоит в том, чтобы объединить все эти подходы в одном устройстве», — говорит Джордж. «Мы хотим создать роботизированную руку с ИИ и нейронным интерфейсом, работая с компанией, которая выведет ее на рынок в рамках более крупных клинических испытаний».
Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-65965-9.
Автор – Jacek Krywko
