Enquanto próteses altamente sofisticadas com dedos e articulações complexas estão disponíveis para imitar quase todos os movimentos das mãos, elas são frustrantemente difíceis e não naturais para o usuário, em grande parte por falta de feedback tátil. Este vazio na sensação pode resultar em uso limitado ou abandono dos dispositivos artificiais muito caros. Então, por que não fazer uma prótese que realmente possa “sentir” seu ambiente?
É exatamente isso que uma equipe interdisciplinar de cientistas da Florida Atlantic University e da Universidade de Utah School of Medicine pretende fazer. Eles estão desenvolvendo uma mão robotizada bioengenharia que irá crescer e se adaptar ao seu ambiente. Este robô “vivo” terá seu próprio sistema nervoso periférico diretamente ligando sensores e atuadores robóticos. A Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação da FAU está liderando a equipe multidisciplinar que recebeu uma doação de US $ 1,3 milhão de US $ 1,3 milhão do Instituto Nacional de Imagem Biomédica e Bioengenharia dos Institutos Nacionais de Saúde para um projeto intitulado “Neuroprosthesis Virtual: Restaurando Autonomia para Pessoas Sofrendo do Neurotrauma. “
Com experiência em robótica, bioengenharia, ciência comportamental, regeneração nervosa, eletrofisiologia, dispositivos microfluídicos e cirurgia ortopédica, a equipe de pesquisa está criando um caminho vivo da sensação de toque do robô para o cérebro do usuário para ajudar os amputados a controlar a mão robótica. Uma plataforma de neuroprosthesis permitirá que eles explorem como os neurônios e o comportamento podem trabalhar juntos para regenerar a sensação de toque em um membro artificial.
No centro desse projeto está uma mão e braço robótico desenvolvido no Laboratório de BioRobotics na Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação da FAU. Assim como a ponta dos dedos humanos, a mão robótica está equipada com inúmeros receptores sensoriais que respondem às mudanças no meio ambiente. Controlado por um ser humano, pode sentir mudanças de pressão, interpretar a informação que está recebendo e interagir com vários objetos. Ajusta a sua aderência com base no peso ou fragilidade de um objeto. Mas o verdadeiro desafio é descobrir como enviar essas informações de volta ao cérebro usando vias residuais residuais para substituir aqueles que foram danificados ou destruídos por trauma.
“Quando o nervo periférico é cortado ou danificado, ele usa a atividade elétrica rica que os receptores tácteis criam para se restaurar. Queremos examinar como os sensores do dedo podem ajudar a regenerar os nervos danificados ou cortados”, diz Erik Engeberg , investigador principal, um associado professor do departamento de Ocean and Mechanical Engineering da FAU e diretor do Laboratório BioRobotics da FAU. “Para conseguir isso, nós vamos conectar diretamente esses nervos vivos in vitro e depois estimulá-los eletricamente diariamente com sensores da mão robótica para ver como os nervos crescem e se regeneram enquanto a mão é operada por pessoas com ausência de membros. “
Para o estudo, os neurônios não serão mantidos em placas de Petri convencionais. Em vez disso, eles serão colocados em câmaras microfluídicas biocompatíveis que proporcionam um ambiente nutritivo imitando a função básica das células vivas. Sarah E. Du , co-investigadora principal, professora assistente no Departamento de Ocean e Engenharia Mecânica da FAU e especialista no campo emergente de microfluidics, desenvolveu essas minúsculas câmaras artificiais personalizadas com microeletrodos embutidos. A equipe de pesquisa será capaz de estimular os neurônios com impulsos elétricos da mão do robô para ajudar a reescrever após uma lesão. Eles medirão morfologicamente e eletricamente em tempo real quanto o tecido neural foi restaurado.
Jianning Wei , co-investigador principal, professor associado de ciência biomédica na faculdade de medicina Charles E. Schmidt da FAU e especialista em danos e regeneração neural, preparará os neurônios in vitro , observará-os crescer e verá como eles se apresentam e se regenerar após uma lesão. Este método “virtual” dará à equipe de pesquisa múltiplas oportunidades para testar e testar os nervos sem prejudicar os assuntos.
Usando um eletroencefalograma (EEG) para detectar a atividade elétrica no cérebro Emmanuelle Tognoli , co-investigadora principal, professora de pesquisa associada no Centro de Sistemas Complexos e Ciências do cérebro da FAU na Faculdade de Ciências Charles E. Schmidt e especialista em eletrofisiologia e neural , ciências comportamentais e cognitivas, examinarão como as informações táteis dos sensores robotizados passam para o cérebro para distinguir cenários com restauração funcional bem sucedida ou mal sucedida do sentido do toque. Seu objetivo: entender como o comportamento ajuda a regeneração nervosa e como essa regeneração nervosa ajuda o comportamento.
Uma vez que os impulsos nervosos dos sensores táteis do robô atravessaram a câmara microfluídica, eles são enviados de volta ao usuário humano que manipula a mão robótica. Isto é feito com um dispositivo especial que converte os sinais provenientes das câmaras microfluídicas em uma pressão controlável em um manguito colocado na parte restante do braço da pessoa amputada. Os usuários saberão se estão espremendo demais o objeto ou se estão perdendo o controle.
Engeberg também trabalha com Douglas T. Hutchinson, MD , co-investigador principal e professor do Departamento de Ortopedia da Faculdade de Medicina da Universidade de Utah, especialista em cirurgia de mão e ortopedia. Eles estão desenvolvendo um conjunto de tarefas e indicadores comportamentais neurais de desempenho que, em última análise, revelarão como promover uma sensação de toque saudável em amputados e pessoas ausentes de membros usando dispositivos robóticos. A equipe de pesquisa também está buscando um pesquisador pós-doutorado com experiência multidisciplinar para trabalhar neste projeto inovador.
“Esta bolsa de institutos nacionais de saúde ajudará nossa equipe interdisciplinar de cientistas a enfrentar um importante desafio que afeta milhões de pessoas em todo o mundo”, diz Stella Batalama , reitor e professora da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação da FAU. “Ao fornecer uma melhor compreensão de como reparar lesões e traumatismos nos nervos, poderemos ajudar os pacientes a recuperar a funcionalidade do motor após uma amputação. Esta pesquisa também possui aplicações amplas para pessoas que sofrem de outras formas de neurotraumatismo, como acidente vascular cerebral e lesões da medula espinhal “.
Os estágios iniciais deste projeto foram apoiados pelo Instituto de Sistemas de Sistemas de Sensores e Embutidos da FAU ( I-SENSE ). Os pesquisadores também estão trabalhando em colaboração com o I-SENSE e o Instituto do cérebro da FAU.