Nhóm nghiên cứu quốc tế do Cleveland Clinic dẫn đầu đã phát triển một hệ thống sinh học, kết hợp ba chức năng quan trọng: điều khiển vận động trực quan, động học chạm và nắm, cảm giác trực quan khi nắm mở bàn tay. Các nhà khoa học phối hợp nghiên cứu thuộc Đại học Alberta và Đại học New Brunswick.

Paul Marasco, GS.T khoa Kỹ thuật Y sinh thuộc Viện Nghiên cứu Lerner của Phòng khám Cleveland, chủ nghiệm công trình nghiên cứu nói: "Chúng tôi đã nâng cấp một bộ phận giả (cánh tay giả) tiêu chuẩn y tế với hệ thống sinh học phức tạp, cho phép người đeo cử động cánh tay giả trực quan hơn, cảm nhận được các cảm giác chạm và chuyển động cùng một lúc. Phát minh này là một bước tiến quan trọng trong định hướng cung cấp cho những người tàn tật mất chi có khả năng phục hồi hoàn toàn chức năng tự nhiên."

 Bàn tay giả thực - ảo đủ khéo léo, thể hiện tất cả các cảm giác chuyển động của bàn tay mà người tham gia nghiên cứu có thể cảm nhận được bằng giao diện máy thần kinh. Ảnh: Cleveland Clinic.

Đây là hệ thống đầu tiên cùng lúc kiểm soát tất cả ba chức năng cảm giác và vận động trong giao diện thần kinh-máy trong một cánh tay giả. Giao diện máy thần kinh kết nối với các dây thần kinh tay chân của người đeo.

Hệ thống cho phép bệnh nhân gửi các xung thần kinh từ não đến tay giả khi muốn sử dụng hoặc chuyển động tay, đồng thời nhận thông tin vật lý từ tay giả và chuyển trở lại não thông qua dây thần kinh.

Sự phản hồi và điều khiển hai chiều của cánh tay nhân tạo cho phép những người tàn tật, tham gia nghiên cứu thử nghiệm thực hiện mọi công việc với độ chính xác tương tự như những người bình thường.

Tiến sĩ Marasco, lãnh đạo Phòng thí nghiệm Tích hợp Bionic cho biết: “Có lẽ điều chúng tôi vui mừng nhất khi biết rằng, những người tham gia thử nghiệm đưa ra những phán đoán, quyết định và tính toán, sửa sai như một người bình thường”. Với cánh tay nhân tạo sinh học mới, người dùng cư xử như thể tay tự nhiên sẵn có.

Thông thường, những hành vi điều khiển của não rất khác nhau giữa những người bình thường và người tàn tật không có tay." Bác sĩ Marasco cũng làm việc tại Trung tâm Động kinh Charles Shor của Phòng khám Cleveland và Trung tâm Công nghệ Cơ bản Tiên tiến thuộc Trung tâm Y tế Cleveland VA.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm tay giả sinh học mới với hai người tàn tật, bị mất tay trên tham gia nghiên cứu, trải qua những quy trình phục hồi cảm giác và vận động có mục tiêu nhằm thiết lập giao diện thần kinh-máy bằng việc chuyển hướng những dây thần kinh bị cắt cụt đến phần da và cơ còn lại. Do quy mô nhỏ của thử nghiệm, trong tương lai nghiên cứu bổ sung sẽ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để phát triển mở rộng.

Trong điều kiện phục hồi các giác quan có mục tiêu, các robot nhỏ khi chạm vào da sẽ kích hoạt các thụ thể cảm giác, cho phép bệnh nhân cảm nhận cảm giác xúc giác. Trong phương pháp phục hồi vận động có mục tiêu, khi bệnh nhân nghĩ về việc cử động chân tay, các cơ được vận động lại sẽ giao tiếp với các bộ phận giả (cánh tay giả) được vi tính hóa để chuyển đông tương tự như ý nghĩ.

Ngoài ra, các robot nhỏ mạnh mẽ làm rung động những thụ thể cảm giác động học cùng các cơ tương đương, giúp người đeo bộ phận giả cảm thấy bàn tay và cánh tay của họ đang chuyển động.

  Cánh tay giả tiên tiến cho cảm giác cử động cầm nắm, chạm vào các đầu ngón tay, được điều khiển bằng trực giác và suy nghĩ. Các điểm đánh dấu phản xạ trên cánh tay và cơ thể của người dùng giúp máy tính nhận thức chuyển động cánh tay trong môi trường 3D, kính camera cho phép máy tính ghi nhận chính xác những gì cộng tác viên nhìn thấy. Ảnh: Cleveland Clinic.

Trong khi đeo tay giả tiên tiến, những người tham gia thực hiện các hoạt động cơ bản hàng ngày, đòi hỏi chức năng của bàn tay và cánh tay. Sử dụng những công cụ đo, kiểm soát tiên tiến mới phát triển, các nhà khoa học đánh giá hiệu suất công tác của chi sinh học so với hiệu suất của tay người bình thường và những người tàn tật sử dụng những tay giả truyền thống. Nhóm cũng so sánh những người sử dụng tay giả tiên tiến có kết quả như thế nào khi ba phương thức cảm giác và vận động được kích hoạt cùng nhau so với riêng lẻ từng phương thức.

Tiến sĩ Marasco cho biết, những người mang tay giả truyền thống không thể cảm nhận được nên hành xử khác với những người bình thường khi hoàn thành các công việc thường ngày. Những người đeo các bộ phận giả truyền thống phải liên tục quan sát tay giả và gặp khó khăn trong sửa chữa sai sót khi dùng lực quá mạnh hoặc quá yếu, mất nhiều thời gian để có độ chính xác trong một hành động.

 

Thử nghiệm kiểm tra tay giả tiên tiến nhặt các khối được chọn khác nhau bằng cách sử dụng cảm giác động học khi chạm và nắm. Ảnh: Cleveland Clinic.

Với cánh tay nhân tạo mới và những công cụ kiểm soát tiên tiến, các nhà khoa học nhận thấy, các phương thức hành động và não của người tham gia thử nghiệm thay đổi, tương tự như các phương thức của người bình thường. Cộng tác viên hành động không cần nhìn tay giả, có thể tìm thấy đồ vật không cần nhìn và nhanh chóng sửa sai hành vi.

Tiến sĩ Marasco nói: “Trong một hoặc hai thập kỷ qua, những tiến bộ trong phát triển các bộ phận giả giúp người tàn tật đạt hoạt động tốt hơn và có thể tự quản lý cuộc sống hàng ngày. Đây là lần đầu tiên với tay sinh học, những người tàn tật có thể “suy nghĩ” như người bình thường, cho phép người đeo tay giả nhanh chóng tái hòa nhập về cuộc sống bình thường. "

Ngoài nghiên cứu này, những phương pháp kiểm soát mới, được phát triển liên quan đến hành vi và chức năng của não trong liên kết với hệ thống sinh học có thể được áp dụng cho bất kỳ các chi bị tổn thất và bộ phận giả nào (chân giả) liên quan đến cảm giác và chuyển động. 

Nghiên cứu được tài trợ một phần từ Cơ quan Quản lý Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA), cơ quan nghiên cứu và phát triển của Bộ Quốc phòng Mỹ. Năm 2018, Tiến sĩ Marasco đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Science Translational Medicineon về phương pháp mới giúp khôi phục cảm giác chuyển động tự nhiên ở những bệnh nhân mang tay giả.