Keven Walgamott hade en bra "känsla" av att plocka upp ägget utan att krossa det. Det som verkar enkelt för nästan alla andra kan vara mer av en herkulisk uppgift för Walgamott, som förlorade sin vänstra hand och en del av sin arm i en elolycka för 17 år sedan. Men han testade prototypen av en högteknologisk armprotes med fingrar som inte bara kan röra sig, de kan röra sig med hans tankar. Och tack vare ett biomedicinskt ingenjörsteam vid University of Utah, han "kände" ägget tillräckligt bra så att hans hjärna kunde säga åt handprotesen att inte klämma för hårt.

Det beror på att laget, leds av University of Utah biomedicinsk ingenjör docent Gregory Clark, har utvecklat ett sätt för "LUKE Arm" (så uppkallad efter robothanden som Luke Skywalker fick i "The Empire Strikes Back") att efterlikna hur en mänsklig hand känner föremål genom att skicka lämpliga signaler till hjärnan. Deras resultat publicerades i en ny uppsats medförfattare av U:s doktorand i biomedicinsk teknik, Jacob George, tidigare doktoranden David Kluger, Clark och andra kollegor i den senaste upplagan av tidskriften Vetenskapsrobotik .

"Vi ändrade hur vi skickar den informationen till hjärnan så att den matchar människokroppen. Och genom att matcha människokroppen, vi kunde se förbättrade fördelar, " säger George. "Vi gör mer biologiskt realistiska signaler."

Det betyder att en amputerad person som bär protesen kan känna beröringen av något mjukt eller hårt, förstår bättre hur man tar upp det, och utföra känsliga uppgifter som annars skulle vara omöjliga med en vanlig protes med metallkrokar eller klor för händerna.

"Det fick mig nästan till tårar, " Walgamott säger om att använda LUKE-armen för första gången under kliniska tester 2017. "Det var verkligen fantastiskt. Jag trodde aldrig att jag skulle kunna känna i den handen igen."

Walgamott, en fastighetsmäklare från West Valley City, Utah, och en av sju testpersoner vid University of Utah, kunde plocka druvor utan att krossa dem, plocka upp ett ägg utan att knäcka det, och hålla sin hustrus hand med en känsla i fingrarna som liknar en arbetsför person.

"En av de första sakerna han ville göra var att sätta på sin vigselring. Det är svårt att göra med en hand, " säger Clark. "Det var väldigt rörande."

Hur dessa saker åstadkoms är genom en komplex serie av matematiska beräkningar och modellering.

LUKE-armen

LUKE-armen har varit under utveckling i cirka 15 år. Själva armen är gjord av mestadels metallmotorer och delar med ett klart silikon "skinn" över handen. Den drivs av ett externt batteri och kopplas till en dator. Det utvecklades av DEKA Research &Development Corp., ett New Hampshire-baserat företag grundat av Segway-uppfinnaren Dean Kamen.

Under tiden, Teamet från University of Utah har utvecklat ett system som gör att protesarmen kan slå in i bärarens nerver, som är som biologiska ledningar som skickar signaler till armen att röra sig. Det gör den tack vare en uppfinning av University of Utahs biomedicinska ingenjörsteknik Emeritus Distinguished Professor Richard A. Normann kallade Utah Slanted Electrode Array. Arrayen är ett knippe av 100 mikroelektroder och ledningar som implanteras i den amputerades nerver i underarmen och kopplas till en dator utanför kroppen. Arrayen tolkar signalerna från de fortfarande kvarvarande armnerverna, och datorn översätter dem till digitala signaler som talar om för armen att röra sig.

Men det fungerar också åt andra hållet. För att utföra uppgifter som att plocka upp föremål krävs mer än att bara hjärnan säger åt handen att röra sig. Den protetiska handen måste också lära sig hur man "känner" föremålet för att veta hur mycket tryck den ska utöva eftersom du inte kan räkna ut det bara genom att titta på det.

Först, armprotesen har sensorer i handen som skickar signaler till nerverna via Arrayen för att efterlikna känslan som handen får när man tar tag i något. Men lika viktigt är hur dessa signaler skickas. Det handlar om att förstå hur din hjärna hanterar övergångar i information när den först berör något. Vid första kontakt med ett föremål, en skur av impulser rinner upp nerverna till hjärnan och avtar sedan. Att återskapa detta var ett stort steg.

"Bara att ge sensation är en stor sak, men sättet du skickar den informationen på är också mycket viktigt, och om du gör det mer biologiskt realistiskt, hjärnan kommer att förstå det bättre och prestandan för denna känsla kommer också att bli bättre, säger Clark.

För att uppnå det, Clarks team använde matematiska beräkningar tillsammans med inspelade impulser från en primats arm för att skapa en ungefärlig modell av hur människor tar emot dessa olika signalmönster. Den modellen implementerades sedan i LUKE Arm-systemet.

Framtida forskning

Förutom att skapa en prototyp av LUKE Arm med en känsla av beröring, det övergripande teamet håller redan på att utveckla en version som är helt portabel och inte behöver kopplas till en dator utanför kroppen. Istället, allt skulle kopplas upp trådlöst, ger bäraren fullständig frihet.

Clark säger att Utah Slanted Electrode Array också kan skicka signaler till hjärnan för mer än bara känseln, som smärta och temperatur, även om tidningen främst tar upp beröring. Och medan deras arbete för närvarande bara har involverat amputerade som förlorat sina extremiteter under armbågen, var musklerna för att röra handen finns, Clark säger att deras forskning också kan tillämpas på dem som tappade armarna ovanför armbågen.

Clark hoppas att 2020 eller 2021, tre testpersoner kommer att kunna ta med armen hem för att använda, i väntan på federalt myndighetsgodkännande.

Forskningen involverar ett antal institutioner inklusive U:s avdelning för neurokirurgi, Institutionen för fysikalisk medicin och rehabilitering och Institutionen för ortopedi, University of Chicagos institution för organismbiologi och anatomi, Cleveland Clinics avdelning för biomedicinsk teknik, och Utahs neuroteknikföretag Ripple Neuro LLC och Blackrock Microsystems. Projektet finansieras av Defense Advanced Research Projects Agency och National Science Foundation.

"Det här är en otrolig tvärvetenskaplig insats, " säger Clark. "Vi hade inte kunnat göra det här utan de stora ansträngningarna från alla i det laget."