srujan ponnapalli
Bionic Hand Gives New Hope to People with Arm Amputations
srujan ponnapalli
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The human hand is a marvel of evolution, capable of performing delicate tasks like playing a musical instrument, as well as powerful actions like lifting weights and throwing a bowling ball. The hand is also a vital part of our social and emotional communication, allowing us to express ourselves through gestures, touch, and sign language. Losing a hand or an arm due to injury, disease, or congenital defect can have devastating consequences for a person’s quality of life, affecting their ability to work, play, and interact with others. But what if technology could offer a solution to this problem? What if we could create artificial limbs that could not only replace the lost functions and sensations of the natural hand, but also enhance them? What if we could utilize the power of science and medicine to transform our limitations into possibilities, and our diversity into strength?
For decades, scientists and engineers have been trying to answer these questions by developing artificial limbs that can restore some of the functions and sensations of the natural hand. However, most prosthetic hands are limited in their capabilities, requiring complex and unreliable control systems that often fail to match the user’s intentions. Moreover, most prosthetic hands lack the ability to provide feedback to the user, making them feel disconnected from their artificial appendage. Progress in the field of prosthetics has significantly picked up pace in recent years, however. A solution to the problem of prosthetic disconnect was found in 2016 when a study demonstrated that ownership of an artificial hand can be induced via electrical stimulation of the corresponding part of the somatosensory cortex in synchrony with touches applied to a prosthetic hand in full view. Later, a 2020 study found that the brain tracks the movements and posture of the hand differently from the arm, suggesting that different strategies are needed to restore proprioception for the hand.
But now, a groundbreaking study published in Science Translational Medicine has shown that it is possible to create a bionic hand that can be controlled intuitively and reliably by the user, using signals from their own nerves and muscles. The study also demonstrates that the bionic hand can provide sensory feedback to the user, creating a sense of embodiment and ownership of the prosthesis.
The study is the result of a collaboration between researchers from the Center for Bionics and Pain Research (CBPR) in Sweden, the Bionics Institute in Australia, Chalmers University of Technology in Sweden, Sahlgrenska University Hospital in Sweden, and Integrum AB in Sweden. The lead author of the study is Professor Max Ortiz Catalan, who is an expert in neural prosthetics and bionics.
The study presents the first documented case of an individual whose body was surgically modified to incorporate implanted sensors and a skeletal implant that connect with a prosthesis electrically and mechanically. The patient is a 40-year-old man who lost his right arm above the elbow due to cancer 12 years ago. He had previously tried several types of conventional prosthetic hands, but none of them satisfied his needs.
The study performed a series of surgical procedures on the patient’s residual limb, involving nerve transfer, muscle transplantation, and osseointegration. Nerve transfer is a technique that involves cutting and rerouting some of the nerves that were severed by the amputation, and attaching them to new muscle targets. This creates new sources of electrical signals that can be used to control the prosthesis. Muscle transplantation is a technique that involves taking muscles from another part of the body (in this case, the thigh) and grafting them onto the residual limb. This provides additional muscle mass and strength for the nerve signals to act on. Osseointegration is a technique that involves inserting a titanium implant into the bone of the residual limb, which becomes firmly anchored over time. This allows for a direct and stable connection between the prosthesis and the skeleton.
The researchers also implanted electrodes into the patient’s muscles and nerves, which were connected to an external computerized control system via wires that passed through the skin. The control system then used artificial intelligence algorithms to decode nerve signals and translate them into movements of the prosthesis. These algorithms were trained to map the patterns of electrical activity in the muscles to different movements of the fingers of the bionic hand. The control system also sent vibrations to a small robot worn on the arm, which stimulated surrounding muscles to better recreate the subliminal physical sensations a user would face without a prosthesis. This provided sensory feedback to the patient, making him feel as if he was moving his own hand.
The patient underwent several months of training and rehabilitation with his new bionic hand, which consisted of five individually controllable fingers and a rotatable wrist. He learned how to perform various tasks with his prosthesis, such as grasping objects of different shapes and sizes, typing on a keyboard, playing video games, and using tools. He also reported feeling sensations such as touch, pressure, and temperature in his artificial fingers through nerve stimulation. The researchers evaluated the patient’s performance and satisfaction with his bionic hand using various tests and questionnaires. They found that he was able to control his prosthesis with high accuracy and reliability, achieving levels comparable to those of healthy individuals using their natural hands. He also expressed high levels of satisfaction and well-being with his prosthesis, stating that it felt like an extension of his body.
The researchers concluded that their approach represents a significant advancement in the field of bionics, offering new hope and possibilities for people with arm amputations worldwide. They also stated that their approach could be applied to other types of prosthetic limbs, such as legs or feet. They plan to conduct further studies with more patients and longer follow-up periods to confirm the safety and efficacy of their method.
The study has received widespread attention and praise from experts and media outlets around the world. But beyond the immediate benefits for the patient and his bionic hand, the study also showcases how science and medicine can use the human body as inspiration to create innovative solutions for challenging problems. By combining surgical and engineering techniques with AI, the researchers have created a bionic hand that mimics the natural hand in both form and function, bridging the gap between humans and machines. This opens up new possibilities for the future of bionics, such as developing more advanced and personalized prosthetic limbs that can adapt to the user’s preferences, needs, and goals. Ultimately, it can improve the quality of life and well-being of people with limb loss or dysfunction, as well as their social and emotional integration, create new opportunities and challenges for the ethical, legal, and social aspects of human-machine interaction and augmentation, and exploring new frontiers in neuroscience, robotics, and artificial intelligence, as well as their potential applications in other domains. The study is a testament to the power of human ingenuity and resilience, as well as the beauty of human-machine harmony. It is a glimpse into a future where technology can enhance our abilities, rather than replace them; where we can overcome our limitations, rather than succumb to them; and where we can celebrate our diversity, rather than fear it.
References:
- Collins, K. L., Guterstam, A., Cronin, J., Olson, J. D., Ehrsson, H. H., & Ojemann, J. G. (2017) 'Ownership of an artificial limb induced by electrical brain stimulation.' Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(1), 166-171. https://doi.org/10.1073/pnas.1616305114 [accessed July 25, 2023].
- Goodman, J. M., Tabot, G. A., Lee, A. S., Suresh, A. K., Rajan, A. T., Hatsopoulos, N. G., & Bensmaia, S. (2019) 'Postural Representations of the Hand in the Primate Sensorimotor Cortex.' Neuron, 104(5), 1000–1009.e7. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.004 [accessed July 25, 2023].
- Jan Zbinden et al. (2023) 'Improved control of a prosthetic limb by surgically creating electro-neuromuscular constructs with implanted electrodes.' Science Translational Medicine, 15, eabq3665. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abq3665 [accessed July 25, 2023].
Mano biónica brinda nueva esperanza a personas con amputaciones de brazo
srujan ponnapalli
Ninoshka Garcia, Cypress Henning
La mano humana es una maravilla de la evolución, capaz de realizar tareas delicadas como tocar un instrumento musical, así como de ejercer acciones de gran fuerza como levantar pesas y lanzar una bola de boliche. La mano también es una parte vital de nuestra comunicación social y emocional, permitiéndonos expresarnos a través de gestos, el tacto y el lenguaje de señas. Perder una mano o un brazo debido a una lesión, enfermedad o defecto congénito puede tener consecuencias devastadoras para la calidad de vida de una persona, afectando su capacidad para trabajar, jugar e interactuar con los demás. Pero, ¿y si la tecnología pudiera ofrecer una solución a este problema? ¿Y si pudiéramos crear extremidades artificiales que no solo reemplazarán las funciones y sensación perdida de la mano natural, sino que también las mejorará? ¿Y si pudiéramos utilizar el poder de la ciencia y la medicina para transformar nuestras limitaciones en posibilidades y nuestra diversidad en fortaleza?
Durante décadas, científicos e ingenieros han intentado responder a estas preguntas desarrollando extremidades artificiales que puedan restaurar algunas de las funciones y sensaciones de la mano natural. Sin embargo, la mayoría de las manos protésicas tienen capacidades limitadas y requieren sistemas de control complejos y poco fiables que a menudo no consiguen reflejar con precisión las intenciones del usuario. Además, la mayoría de las manos protésicas carecen de la capacidad de proporcionar retroalimentación al usuario, lo que hace que se sientan desconectados de su apéndice artificial. Sin embargo, el progreso en el campo de las prótesis ha avanzado significativamente en los últimos años. En el 2016, se encontro una solucion al problema de la desconexión protésica cuando un estudio demostró que se puede inducir la sensación de propiedad de una mano artificial mediante la estimulación eléctrica de la parte correspondiente de la corteza somatosensorial en sincronía con estímulos táctiles aplicados a una mano protésica a la vista del usuario. Más tarde, un estudio de 2020 encontró que el cerebro rastrea los movimientos y la postura de la mano de manera diferente al brazo, lo que sugiere que se necesitan estrategias distintas para restaurar la propiocepción de la mano.
Pero ahora, un estudio innovador publicado en Science Translational Medicine ha demostrado que es posible crear una mano biónica que el usuario puede controlar de manera intuitiva y confiable utilizando señales de sus propios nervios y músculos. El estudio también demuestra que la mano biónica puede proporcionar retroalimentación sensorial al usuario, creando una sensación de incorporación y propiedad de la prótesis.
El estudio es el resultado de una colaboración entre investigadores del Centro de Investigación en Biónica y Dolor (CBPR) en Suecia, el Instituto de Biónica de Australia, la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, el Hospital Universitario Sahlgrenska en Suecia y la empresa Integrum AB en Suecia. El autor principal del estudio es el profesor Max Ortiz Catalan, experto en prótesis neuronales y biónicas.
El estudio presenta el primer caso documentado de un individuo cuyo cuerpo fue modificado
El estudio presenta el primer caso documentado de un individuo cuyo cuerpo fue modificado quirúrgicamente para incorporar sensores implantados y un implante esquelético que se conecta eléctricamente y mecánicamente con una prótesis. El paciente es un hombre de 40 años que perdió su brazo derecho por encima del codo debido al cáncer hace 12 años. Anteriormente había probado varios tipos de manos protésicas convencionales, pero ninguna de ellas satisfacía sus necesidades.
El estudio realizó una serie de procedimientos quirúrgicos en el miembro residual del paciente, que incluyeron transferencia de nervios, trasplante muscular y osteointegración. La transferencia de nervios es una técnica que implica cortar y redirigir algunos de los nervios que fueron seccionados por la amputación y conectarlos a nuevos músculos. Esto crea nuevas fuentes de señales eléctricas que pueden usarse para controlar la prótesis. El trasplante muscular implica tomar músculos de otra parte del cuerpo (en este caso, del muslo) y trasplantarlos al miembro residual, proporcionando masa muscular adicional y fuerza para que los nervios ejercen sobre ellos. La osteointegración consiste en insertar un implante de titanio en el hueso del miembro residual, que con el tiempo se ancla firmemente, permitiendo una conexión directa y estable entre la prótesis y el esqueleto.
Los investigadores también implantaron electrodos en los músculos y nervios del paciente, los cuales se conectaron a un sistema de control computarizado externo a través de cables que pasaban por la piel. Luego, el sistema de control utilizó algoritmos de inteligencia artificial para decodificar las señales nerviosas y traducirlas en movimientos de la prótesis. Estos algoritmos fueron entrenados para mapear los patrones de actividad eléctrica en los músculos con diferentes movimientos de los dedos de la mano biónica. El sistema de control también enviaba vibraciones a un pequeño robot que el paciente llevaba en el brazo, estimulando los músculos circundantes para recrear mejor las sensaciones físicas sutiles que un usuario experimentaría sin una prótesis. Esto proporcionó retroalimentación sensorial al paciente, haciéndolo sentir como si estuviera moviendo su propia mano.
El paciente se sometió a varios meses de entrenamiento y rehabilitación con su nueva mano biónica, que consistía en cinco dedos controlables individualmente y una muñeca giratoria. Aprendió a realizar diversas tareas con su prótesis, como agarrar objetos de diferentes formas y tamaños, escribir en un teclado, jugar videojuegos y usar herramientas. También informó haber sentido sensaciones como tacto, presión y temperatura en sus dedos artificiales a través de la estimulación nerviosa. Los investigadores evaluaron el desempeño y la satisfacción del paciente con su mano biónica mediante diversas pruebas y cuestionarios. Descubrieron que era capaz de controlar su prótesis con alta precisión y fiabilidad, logrando niveles comparables a los de personas sanas con sus manos naturales. También expresó altos niveles de satisfacción y bienestar con su prótesis, afirmando que se sentía como una extensión de su cuerpo.
Los investigadores concluyeron que su enfoque representa un avance significativo en el campo de la biónica, ofreciendo nuevas esperanzas y posibilidades para las personas con amputaciones de brazos en todo el mundo. También señalaron que su enfoque podría aplicarse a otros tipos de extremidades protésicas, como piernas o pies. Planean realizar más estudios con más pacientes y períodos de seguimiento más largos para confirmar la seguridad y eficacia de su método.
El estudio ha recibido una gran atención y elogios de expertos y medios de comunicación de todo el mundo. Pero más allá de los beneficios inmediatos para el paciente y su mano biónica, el estudio también demuestra cómo la ciencia y la medicina pueden usar el cuerpo humano como inspiración para crear soluciones innovadoras a problemas desafiantes. Al combinar técnicas quirúrgicas e ingeniería con inteligencia artificial, los investigadores han creado una mano biónica que imita la mano natural tanto en forma como en función, superando la distancia entre humanos y máquinas. Esto abre nuevas posibilidades para el futuro de la biónica, como el desarrollo de prótesis más avanzadas y personalizadas que puedan adaptarse a las preferencias, necesidades y objetivos del usuario. En última instancia, puede mejorar la calidad de vida y el bienestar de las personas con pérdida o disfunción de extremidades, facilitar su inclusión social y emocional, crear nuevas oportunidades y desafíos en los aspectos éticos, legales y sociales de la interacción humano-máquina, y explorar nuevas fronteras en neurociencia, robótica e inteligencia artificial. El estudio es un testimonio del poder de la creatividad y la resiliencia humanas, así como de la belleza de la armonía entre humanos y máquinas. Es un vistazo a un futuro en el que la tecnología puede mejorar nuestras habilidades en lugar de reemplazarlas; donde podemos superar nuestras limitaciones en lugar de sucumbir a ellas; y donde podemos celebrar nuestra diversidad en lugar de temerla.
Referencias:
- Collins, K. L., Guterstam, A., Cronin, J., Olson, J. D., Ehrsson, H. H., & Ojemann, J. G. (2017) 'Ownership of an artificial limb induced by electrical brain stimulation.' Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(1), 166-171. https://doi.org/10.1073/pnas.1616305114 [accessed July 25, 2023].
- Goodman, J. M., Tabot, G. A., Lee, A. S., Suresh, A. K., Rajan, A. T., Hatsopoulos, N. G., & Bensmaia, S. (2019) 'Postural Representations of the Hand in the Primate Sensorimotor Cortex.' Neuron, 104(5), 1000–1009.e7. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.004 [accessed July 25, 2023].
- Jan Zbinden et al. (2023) 'Improved control of a prosthetic limb by surgically creating electro-neuromuscular constructs with implanted electrodes.' Science Translational Medicine, 15, eabq3665. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abq3665 [accessed July 25, 2023].
仿生手为截肢者带来新希望
srujan ponnapalli
Julia liang, Yihe Liang
人类的手是进化的奇迹，既能完成如演奏乐器般精细的操作，也能执行如举重、投掷保龄球等强力动作。手还是我们社交和情感交流的重要工具，使我们能够通过手势、触摸和手语表达自我。然而，由于创伤、疾病或先天缺陷失去手或手臂，会对个人的生活质量造成毁灭性的影响，限制其工作、娱乐和社交能力。但如果科技能够提供一种解决方案呢？如果我们可以创造人工假肢，不仅能替代自然手的功能和感觉，还能增强它们呢？如果我们能利用科学和医学的力量，将局限转化为可能，将多样性变为优势呢？
几十年来，科学家和工程师一直在尝试解答这些问题，致力于开发能够恢复部分自然手功能和感觉的人工假肢。然而，大多数假肢的功能仍然有限，依赖复杂且不够可靠的控制系统，常常无法准确匹配用户的意图。此外，大多数假肢无法向用户提供感觉反馈，使他们难以真正融入和适应人工假肢。然而，近年来，假肢技术取得了显著进步。2016年的一项研究表明，通过同步电刺激大脑躯体感觉皮层对应部位，并在用户视线范围内触碰假肢，可以诱发人工手的归属感。2020年的另一项研究发现，大脑对手的运动和姿态的追踪方式不同于手臂，表明恢复手的本体感觉需要采用不同的方法。
如今，一项发表在《科学转化医学》上的突破性研究表明，可以制造出一种仿生手，能够通过用户自身的神经和肌肉信号直观、可靠地控制。这项研究还证明，该仿生手能够提供感觉反馈，使用户产生对假肢的归属感和控制感。
这项研究由瑞典仿生与疼痛研究中心、澳大利亚仿生研究所、瑞典查尔姆斯理工大学、瑞典萨尔格伦斯卡大学医院及瑞典Integrum公司合作完成。该研究的主要作者是仿生神经假肢领域的专家马克斯·奥尔蒂斯·卡塔兰教授。
该研究首次记录了一例患者，他的身体经过外科手术改造，植入了传感器和骨整合植入物，使其可以与假肢实现电气和机械双重连接。该患者是一名40岁的男性，12年前因癌症失去了右臂肘上部分。他曾尝试多种传统假肢，但均未能满足需求。
研究团队对患者的残肢进行了多项手术，包括神经转位、肌肉移植和骨整合。神经转移是指将因截肢而断裂的部分神经重新连接至新的肌肉组织，使其成为控制假肢的新电信号源。肌肉移植是指从身体其他部位（如大腿）取出肌肉，并移植至残肢，以提供更多肌肉组织供神经信号驱动，提高控制能力。骨整合则是指将钛合金植入物直接植入骨骼，使其与骨骼牢固结合，从而提供稳定的假肢连接方式。
此外，研究人员在患者的肌肉和神经中植入了电极，并通过穿过皮肤的导线将其连接至外部计算机控制系统。控制系统使用人工智能算法解码神经信号，并将其转化为假肢的运动。这些算法经过训练，能够将肌肉中的电信号模式映射到仿生手的各个手指，使其能执行不同的动作。同时，控制系统通过振动传输至佩戴在手臂上的微型机器人，刺激周围肌肉，以更好地再现用户在无假肢情况下会感知到的潜意识身体感觉。这种反馈机制使患者感觉自己仿佛在操控真实的手。
患者接受了数月的训练和康复，他的仿生手具备五个可独立控制的手指和可旋转的手腕。他学习如何使用假肢完成各种任务，例如抓握不同形状和大小的物体、打字、玩电子游戏，以及操作各种工具。他还报告称，通过神经刺激，他能够在仿生手指中感受到触觉、压力甚至温度。研究人员通过各种测试和问卷评估患者对仿生手的控制能力和满意度，发现他能够以极高的准确性和可靠性操作假肢，达到健康个体使用自然手的水平。他还表示，对仿生手的满意度和幸福感极高，认为其已成为自己身体的一部分。
研究人员由此得出结论，他们的方法代表了仿生学领域的一项重大进展，为全球截肢者带来了新的希望和可能性。他们还表示，该方法可以推广至其他类型的假肢，如仿生腿或仿生足。他们计划在未来进行更多患者的研究，并延长随访时间，以进一步验证该方法的安全性和有效性。
该研究在全球范围内引起了专家和媒体的广泛关注和赞誉。然而，除了对患者及其仿生手的直接益处外，这项研究还展示了科学与医学如何以人体为灵感，创造出针对复杂问题的创新解决方案。通过将外科手术、工程技术和人工智能相结合，研究人员创造了一种在形态和功能上都高度仿真的仿生手，弥合了人类与机器之间的鸿沟。
这为仿生技术的未来开辟了新的可能，例如开发更加先进和个性化的假肢，以适应用户的偏好、需求和目标。最终，这项技术不仅可以改善肢体缺失或功能障碍者的生活质量及其社会和情感融入，还可能引发有关人机交互和增强技术的伦理、法律和社会问题，同时推动神经科学、机器人技术和人工智能的发展，并拓展其在其他领域的应用。
这项研究不仅展现了人类智慧和坚韧不拔的精神，也描绘了人机和谐共存的美好前景。它为我们描绘了一幅未来的图景：在这个未来，科技不是替代人类能力，而是增强人类能力；我们不会屈服于自身的局限，而是战胜它们；我们不会畏惧多样性，而是庆祝它。
来源：
- Collins, K. L., Guterstam, A., Cronin, J., Olson, J. D., Ehrsson, H. H., & Ojemann, J. G. (2017) 'Ownership of an artificial limb induced by electrical brain stimulation.' Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(1), 166-171. https://doi.org/10.1073/pnas.1616305114 [accessed July 25, 2023].
- Goodman, J. M., Tabot, G. A., Lee, A. S., Suresh, A. K., Rajan, A. T., Hatsopoulos, N. G., & Bensmaia, S. (2019) 'Postural Representations of the Hand in the Primate Sensorimotor Cortex.' Neuron, 104(5), 1000–1009.e7. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.004 [accessed July 25, 2023].
- Jan Zbinden et al. (2023) 'Improved control of a prosthetic limb by surgically creating electro-neuromuscular constructs with implanted electrodes.' Science Translational Medicine, 15, eabq3665. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abq3665 [accessed July 25, 2023].