Когда ее спрашивали о выбранной ею сфере деятельности, Дина Гейтс, директор Лаборатории реабилитационной биомеханики в Мичиганском университете, всегда шутила, что она хочет помочь Люку Скайуокеру.
Лаборатория Гейтса принадлежит группе робототехники для реабилитации U-M. Тема многих исследовательских проектов, проводимых в лаборатории, довольно проста: помочь людям с ампутированными верхними и нижними конечностями легче передвигаться по миру.
Одно из основных направлений исследований лаборатории – это протез нижней конечности с моторным приводом под названием BiOM, то, что десять лет назад считалось научной фантастикой.
"Это уникальное устройство с огромным потенциалом," – говорит Гейтс, доцент кафедры движений в Школе кинезиологии Университета штата Мэриленд. "Мы пытаемся определить, кто может извлечь из этого максимальную пользу и как мы можем помочь пользователям протезов максимально увеличить их производительность."
Министерство обороны заинтересовано в этой проблеме и помогает финансировать исследования. В ходе операций «Свобода Ирака», операции «Новый рассвет» и операции «Несокрушимая свобода» было произведено более 1700 ампутаций в связи с оказанием услуг, и большинство из них – молодые люди. Всего примерно 1.6 миллионов человек в США живут с потерей конечностей.
Лаборатория Гейтса выглядит как что-то со страниц Рэя Брэдбери. Система захвата движения с 20 камерами заполняет заднюю часть комнаты со штативами разной высоты, направленными к центру пространства в различных имитационных сценариях. Здесь Гейтс, ее научные сотрудники и студенты записывают субъектов, выполняющих определенные двигательные задачи, чтобы собрать различную информацию о движениях конечностей.
Гейтс, который также занимается биомедицинской инженерией, говорит, что одна из теорий, лежащих в основе устройства BiOM с моторным приводом, заключается в том, что дополнительная мощность снизит энергозатраты пользователя, ближе к таковым у человека без ампутации. Одним из недостатков традиционных протезов является то, что они требуют на 10-30 процентов больше энергии для использования. Следовательно, многие инвалиды не получают достаточной физической активности.
С этой целью в одном из лабораторных исследований сравнивается физическая активность и мышечная усталость пациентов, оснащенных GPS и трекерами активности, использующих собственные протезы, с включенной системой BiOM. Исследователи хотят увидеть, увеличивается ли активность и уменьшается ли мышечная усталость. Есть надежда, что при правильном количестве энергии ходьба с BiOM будет более эффективной.
В аналогичном исследовании, проведенном в сотрудничестве с машиностроительной компанией, изучается, получают ли пациенты дополнительную мощность в их протезах и насколько оптимально.
"Больше – не всегда лучше," Гейтс говорит. "В некоторых случаях небольшая мощность была хуже, чем ничего."
Однако исследователи считают, что поиск нужной суммы может значительно улучшить опыт пользователя.
Другой проект изучает, получают ли пациенты выгоду сразу после того, как врачи установят протез BiOM. Хотя еще рано говорить наверняка, предварительные исследования показывают, что инвалидам может потребоваться обучение, чтобы помочь им в полной мере использовать возможности устройства.
По словам Гейтса, лаборатория также работает над исследованиями верхних конечностей. Один проект, возглавляемый инженерами и хирургами из биомедицинской инженерии и пластической хирургии, использует существующие нервы, ранее связанные с мышцами ампутированной конечности, и оборачивает крошечный кусок другой мышцы, похожий на «мышечный буррито», вокруг конца нерва. Затем нерв прорастает в мышцу, и электрические сигналы от этих маленьких мышц используются для управления более гибким протезом.
В других проектах рассматривается, какие функции наиболее важны для пользователей протезами верхних конечностей и готовы ли они к операции, чтобы получить эти функции, а также количественно оценивается, как люди используют различные типы протезирования.
Текущие и будущие исследования служат хорошим предзнаменованием для пользователей протезами.
"Прекрасное время для исследований в области протезирования. В настоящее время проводится множество исследований новых способов управления протезами с помощью сигналов от тела, таких как мозг, нервы или мышцы," Гейтс говорит. "Это может дать пользователям более прямой контроль над своими устройствами и разрешить больше различных типов движения."
В настоящее время совершенствуются технологии для увеличения срока службы батарей, уменьшения размеров батарей и создания удобных, простых в использовании устройств, которые соединяются с телом.
"Хорошая новость заключается в том, что эти методы, вероятно, будут внедрены за пределами исследовательской лаборатории всего через несколько лет," Гейтс говорит.