Kunstig hånd styres av hjernen

Funksjonshemmete uten armer har noe å se frem til. Forskere ved Institutt for informatikk utvikler nå en kunstig hånd som kan styres direkte fra hjernen via nervesystemet.

SAMME BEVEGELSER: Mats Høvin har laget en kunstig finger som har nøyaktig samme bevegelsesmønster som en menneskefinger. Foto: Ola Sæther.

Dagens håndproteser har svært begrensete bevegelsesmuligheter og kan bare brukes til å gripe og ta. Intet mer. De kosmetiske fine armene er teknologisk lite avanserte. Avanserte armer veier altfor mye.

Forskerne på Mikroelektronikksystemer (MES) ved Institutt for informatikk har derfor latt seg utfordre. De forsker nå på hvordan de kan lage en lett og avansert håndprotese som styres direkte fra hjernen via nervesystemet.

– Håndprotesen vår er for dem som nylig har mistet en arm. De har fortsatt nervesignalene intakt, forteller førsteamanuensis Mats Høvin.

Den smarte armen skal ikke bare kunne føle og kjenne temperaturer, men også utformes slik at den kan vris nesten like mye som en vanlig menneskehånd. Det har ingen tidligere fått til.

Hele ideen er at funksjonshemmete som har måttet amputere en arm eller hånd, kan få montert en protese som skal bli kontrollert av hjernen på vanlig måte. Hånden skal altså bli en så fullgod biologisk erstatning som overhodet mulig. Prosjektet kombinerer fagfeltene biologi, medisin, informatikk, matematikk og fysikk. De teknologiske utfordringene står i kø.

Muskler erstatter motorer

Bevegelige fingrer krever en rekke motorer. Problemet er at motorer er bråkete og tar mye plass.

– Nå trenger vi ikke lenger motorer. Kunstige muskler skal erstatte motorene. Dette er en helt ny måte å tenke proteser på, sier Høvin.

Musklene er små, sterke fibrer i et hukommelsesmateriale, laget av nikkel og titanium, som trekker seg sammen når de utsettes for strøm. En av utfordringene er at musklene bare trekker seg sammen fire til fem prosent.

Selv om fibrene er mindre enn en tiendels millimeter tykke og nesten ikke veier noen ting, er en bunt med slike fibrer langt kraftigere enn biologiske muskelfibrer.

Med kunstige muskler kan man lage hender med langt flere bevegelsesmuligheter enn dagens proteser. Noen av dagens mest avanserte proteser styres av muskelsignaler. Mats Høvin påpeker at det er vanskelig å hente informasjon fra slike muskelsignaler.

– Da får man bare ut grovinformasjon. Det holder bare til noen få bevegelsesmuligheter. Vi vil i stedet koble de kunstige musklene med signaler fra nervefibrene. Slikt finnes ikke i dag, fastslår han.

En annen utfordring er ulineær sammenheng mellom trykk og sammendragning. Musklene er også avhengig av temperatur og bakgrunnshistorien, akkurat som hos mennesker. Musklene kan bli slitne etter intensiv bruk. Det krever intrikat styring.

For at kroppens nervesystem skal kommunisere med protesen, må dataene overføres trådløst, men det er en begrensning på hvor mange signaler man kan sende gjennom huden.

– Vevet tåler begrensete mengder og må derfor ikke bli for varmt. Det er en medisinsk utfordring, sier førsteamanuensis Dag Wisland.

Følsomme hender

Ingen av dagens proteser kan føle noe som helst. Det er en stor ulempe. Professor Oddvar Søråsen og førsteamanuensis Dag Wisland ved MES utvikler derfor sensorer som gjør det mulig både å føle og kjenne temperaturer. Det vil da være mulig å lage proteser med skånsomme bevegelser.

– Vår protese skal kunne plukke opp et egg akkurat så hardt at egget verken glipper eller knuses. Det er en helt ny funksjonalitet, sier Søråsen.

Trykksensorene er laget for ekstreme forhold og skal tåle alt fra 40 grader minus til badstue.

De aktive komponentene i sensorene blir bare en tusendels millimeter store. Sensorene skal kobles til elektroniske kretser. De skal videreformidle signalene til nervesystemet.

– Vi tenker oss sensorene som små bjelker som beveger seg eller en membran som endrer form. Når trykket får membranen til å bevege seg, skal det sendes signaler til elektroniske kretser, sier Wisland.

Disse kretsene skal videreformidle signalene til nervesystemet. Den kunstige hånden må ha mange sensorer. Sensorene, som bare blir noen kvadratmillimeter store, skal støpes inn i silikon.

Professor Mats Høvin er allerede i ferd med å eksperimentere med kunstig hud.

– Vi bør ha noen sensorer i hver finger, slik at alle fingrene kan kjenne bevegelse, trykk og temperatur, sier Dag Wisland.

Nano- og Mikroteknologilaboratoriet til SINTEF og Universitetet i Oslo skal produsere de sentrale delene av brikkene. Dag Wisland og Oddvar Søråsen skal integrere disse sensorene med elektronikk og finne metoder for å tolke signalene.

– Det finnes allerede gode trykksensorer, men utfordringen er å koble dem sammen med elektronikk på best mulig måte, sier Dag Wisland.

Problemet er fremstillingen av disse sensorene. I dag er det én produksjonsprosess for mikroteknologi og én for elektronikk. Den ene prosessen kan ødelegge for den andre, slik som at høy temperatur i den ene prosessen kan ødelegge ømfintlige ting i den andre.

Forskerne må også løse støyproblemet. Sensorene mottar og sender ut analoge signaler. Fordi signalene fra sensorene er svake, må de oversettes til digitale signaler så raskt som mulig. Hvis ikke risikerer man at signalene blir forstyrret av støy. Særlig hvis det er mange sensorer nær hverandre. Da blir signalene langt vanskeligere å tolke. Denne støyen må fjernes med digitale filtre. Den beste løsningen er derfor om elektronikken ligger nærmest mulig sensoren.

– Problemet er at hvis de elektroniske kretsene blir for kompliserte, er det vanskelig å kombinere dem med de elektromekaniske delene, sier Oddvar Søråsen.

Tolker nervene

Håndprotesen skal ikke bare ta imot nervesignalene. Signalene fra sensorene skal også sendes inn i nervesystemet. Det ene problemet er at signalene i nervene er svært svake. Det andre problemet er at forskerne ikke vet hvilke nerver som gjør hva. Noen nerver sender ut styringsinformasjon. Andre mottar impulser. Så det er ikke lett å finne akkurat den nerven som styrer en bestemt finger, men det er så smått blitt fysisk mulig å plukke ut de enkelte nervetrådene.

Mats Høvin utvikler nå en helt ny algoritme som lærer protesen å finne ut av hvilken nerve i en nervebunt som gjør hva

– Vi skal lese nervene. Men det er 200 kanaler med informasjon. Vi vet ikke hvilke kanaler som sender hvilke signaler. Vi simulerer derfor signalene som kommer ut av en bunt og bruker algoritmene til å lære systemet å finne den rette nerven, sier Mats Høvin.

I dag finnes det to muligheter for å fange opp nervesignaler. Den ene er å legge ring rundt nervebunten og tolke signalene i ringen. Den andre er å stikke en gaffel inn i nervebunten og lese signalene i gaffelpinnen.

Men ingen av disse metodene er egnet til å tolke ethvert nervesignal. Mats Høvin ønsker derfor å lage en silisiumbrikke med mikrohull. I hvert hull skal det festes en elektrode. Da kan nervene gro slik at hver enkelt nervetråd gror inn i hvert sitt hull.

– Vi vet lite, men vi antar at nervene er forskjellig fra menneske til menneske, sier han.

Protesen må derfor spesialtilpasses den enkelte brukeren. For at den funksjonshemmete skal få full glede av protesen, skal protesen bli selvlærende. Mats Høvin utvikler derfor en matematisk algoritme som gjør at protesen hele tiden kan prøve ut nye muligheter og finne den beste signalkommunikasjonen med nervetrådene.

– Det betyr at protesen stadig vil bli bedre, påpeker Mats Høvin.

Øvelse gjør mester

For å trene opp den kunstige armen må man bruke den friske armen som referanse. Da får man testet om begge armene reagerer på den samme måten.

Teknologien bak den kunstige armen kan også brukes til andre ting enn proteser, slik som fjernstyring i helseskadelige operasjoner.

– Så i forskningen vår fokuserer vi både på roboter og håndproteser, sier Mats Høvin, som har bygd opp et eget mekanisk laboratorium på kontoret sitt.

Emneord: Teknologi, Materialteknologi, Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Algoritmer og beregnbarhetsteori, Matematisk modellering, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse, Elektrotekniske fag, Elektronikk, Medisinsk teknologi, Nanoteknologi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere