Dagens h?ndproteser har sv?rt begrensete bevegelsesmuligheter og kan bare brukes til ? gripe og ta. Intet mer. De kosmetiske fine armene er teknologisk lite avanserte. Avanserte armer veier altfor mye.
Forskerne p? Mikroelektronikksystemer (MES) ved Institutt for informatikk har derfor latt seg utfordre. De forsker n? p? hvordan de kan lage en lett og avansert h?ndprotese som styres direkte fra hjernen via nervesystemet.
– H?ndprotesen v?r er for dem som nylig har mistet en arm. De har fortsatt nervesignalene intakt, forteller f?rsteamanuensis Mats H?vin.
Den smarte armen skal ikke bare kunne f?le og kjenne temperaturer, men ogs? utformes slik at den kan vris nesten like mye som en vanlig menneskeh?nd. Det har ingen tidligere f?tt til.
Hele ideen er at funksjonshemmete som har m?ttet amputere en arm eller h?nd, kan f? montert en protese som skal bli kontrollert av hjernen p? vanlig m?te. H?nden skal alts? bli en s? fullgod biologisk erstatning som overhodet mulig. Prosjektet kombinerer fagfeltene biologi, medisin, informatikk, matematikk og fysikk. De teknologiske utfordringene st?r i k?.
Muskler erstatter motorer
Bevegelige fingrer krever en rekke motorer. Problemet er at motorer er br?kete og tar mye plass.
– N? trenger vi ikke lenger motorer. Kunstige muskler skal erstatte motorene. Dette er en helt ny m?te ? tenke proteser p?, sier H?vin.
Musklene er sm?, sterke fibrer i et hukommelsesmateriale, laget av nikkel og titanium, som trekker seg sammen n?r de utsettes for str?m. 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 H?vin p?peker at det er vanskelig ? hente informasjon fra slike muskelsignaler.
– Da f?r man bare ut grovinformasjon. Det holder bare til noen f? bevegelsesmuligheter. Vi vil i stedet koble de kunstige musklene med signaler fra nervefibrene. Slikt finnes ikke i dag, fastsl?r han.
En annen utfordring er uline?r sammenheng mellom trykk og sammendragning. Musklene er ogs? 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, m? dataene overf?res tr?dl?st, men det er en begrensning p? hvor mange signaler man kan sende gjennom huden.
– Vevet t?ler begrensete mengder og m? derfor ikke bli for varmt. Det er en medisinsk utfordring, sier f?rsteamanuensis Dag Wisland.
F?lsomme hender
Ingen av dagens proteser kan f?le noe som helst. Det er en stor ulempe. Professor Oddvar S?r?sen og f?rsteamanuensis Dag Wisland ved MES utvikler derfor sensorer som gj?r det mulig b?de ? f?le og kjenne temperaturer. Det vil da v?re mulig ? lage proteser med sk?nsomme bevegelser.
– V?r protese skal kunne plukke opp et egg akkurat s? hardt at egget verken glipper eller knuses. Det er en helt ny funksjonalitet, sier S?r?sen.
Trykksensorene er laget for ekstreme forhold og skal t?le 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 sm? bjelker som beveger seg eller en membran som endrer form. N?r trykket f?r membranen til ? bevege seg, skal det sendes signaler til elektroniske kretser, sier Wisland.
Disse kretsene skal videreformidle signalene til nervesystemet. Den kunstige h?nden m? ha mange sensorer. Sensorene, som bare blir noen kvadratmillimeter store, skal st?pes inn i silikon.
Professor Mats H?vin er allerede i ferd med ? eksperimentere med kunstig hud.
– Vi b?r 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 S?r?sen skal integrere disse sensorene med elektronikk og finne metoder for ? tolke signalene.
– Det finnes allerede gode trykksensorer, men utfordringen er ? koble dem sammen med elektronikk p? best mulig m?te, 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 ?delegge for den andre, slik som at h?y temperatur i den ene prosessen kan ?delegge ?mfintlige ting i den andre.
Forskerne m? ogs? l?se st?yproblemet. Sensorene mottar og sender ut analoge signaler. Fordi signalene fra sensorene er svake, m? de oversettes til digitale signaler s? raskt som mulig. Hvis ikke risikerer man at signalene blir forstyrret av st?y. S?rlig hvis det er mange sensorer n?r hverandre. Da blir signalene langt vanskeligere ? tolke. Denne st?yen m? fjernes med digitale filtre. Den beste l?sningen er derfor om elektronikken ligger n?rmest mulig sensoren.
– Problemet er at hvis de elektroniske kretsene blir for kompliserte, er det vanskelig ? kombinere dem med de elektromekaniske delene, sier Oddvar S?r?sen.
Tolker nervene
H?ndprotesen skal ikke bare ta imot nervesignalene. Signalene fra sensorene skal ogs? sendes inn i nervesystemet. Det ene problemet er at signalene i nervene er sv?rt svake. Det andre problemet er at forskerne ikke vet hvilke nerver som gj?r hva. Noen nerver sender ut styringsinformasjon. Andre mottar impulser. S? det er ikke lett ? finne akkurat den nerven som styrer en bestemt finger, men det er s? sm?tt blitt fysisk mulig ? plukke ut de enkelte nervetr?dene.
Mats H?vin utvikler n? en helt ny algoritme som l?rer protesen ? finne ut av hvilken nerve i en nervebunt som gj?r 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 ? l?re systemet ? finne den rette nerven, sier Mats H?vin.
I dag finnes det to muligheter for ? fange opp nervesignaler. Den ene er ? legge ring rundt nervebunten og tolke signalene i ringen. Den andre er ? stikke en gaffel inn i nervebunten og lese signalene i gaffelpinnen.
Men ingen av disse metodene er egnet til ? tolke ethvert nervesignal. Mats H?vin ?nsker derfor ? lage en silisiumbrikke med mikrohull. I hvert hull skal det festes en elektrode. Da kan nervene gro slik at hver enkelt nervetr?d gror inn i hvert sitt hull.
– Vi vet lite, men vi antar at nervene er forskjellig fra menneske til menneske, sier han.
Protesen m? derfor spesialtilpasses den enkelte brukeren. For at den funksjonshemmete skal f? full glede av protesen, skal protesen bli selvl?rende. Mats H?vin utvikler derfor en matematisk algoritme som gj?r at protesen hele tiden kan pr?ve ut nye muligheter og finne den beste signalkommunikasjonen med nervetr?dene.
– Det betyr at protesen stadig vil bli bedre, p?peker Mats H?vin.
?velse gj?r mester
For ? trene opp den kunstige armen m? man bruke den friske armen som referanse. Da f?r man testet om begge armene reagerer p? den samme m?ten.
Teknologien bak den kunstige armen kan ogs? brukes til andre ting enn proteser, slik som fjernstyring i helseskadelige operasjoner.
– S? i forskningen v?r fokuserer vi b?de p? roboter og h?ndproteser, sier Mats H?vin, som har bygd opp et eget mekanisk laboratorium p? kontoret sitt.