DARPA và chương trình cải tiến bộ phận giả cho bệnh nhân khuyết chi
Trong những năm gần đây, công nghệ chế tạo chân tay giả đã đạt được nhiều thành tựu đáng chú ý, trong đó phải kể đến cánh tay cấy ghép vĩnh viễn của đại học Chalmers giúp bệnh nhân có thể điều khiển trực tiếp bằng ý nghĩ. Tuy nhiên, vấn đề ở đây là liên kết giữa bộ phận giả và dây thần kinh sống có thể bị phá vỡ qua thời gian khiến khả năng điều khiển trên thực tế trở nên khó khăn. Để hiểu rõ hơn tại sao điều này xảy ra và nhằm mang lại cho bệnh nhân mức độ kiểm soát nhiều hơn với bộ phận giả, Cơ quan nghiên cứu các dự án phòng thủ tối tân DARPA đã phát động một loạt các chương trình nghiên cứu với mục tiêu cải tiến giao diện thần kinh, cho phép người khuyết tật kiểm soát các bộ phận giả tiên tiến tốt hơn trong tương lai gần.
Theo thống kê từ Cục phòng thủ Hoa Kỳ, kể từ năm 2000 đến nay đã có hơn 2000 quân nhân Mỹ phải trải qua những cuộc phẫu thuật cắt bỏ chi. Được sự ủy thác của chính phủ Hoa Kỳ nhằm mang công nghệ chân tay giả tiên tiến đến với những binh sĩ mất chi, chương trình Reliable Nerural-Interface Technology (RE-NET) của DARPA sẽ thực hiện một loạt các nghiên cứu để tìm ra nguyên nhân tại sao giao diện thần kinh không thể duy trì hoạt động ổn định và tại sao một chiếc chi giả không thể hiểu các tín hiệu thần kinh đủ để có thể di chuyển với tốc độ cao và dứt khoát.
RE-NET được chia thành nhiều nhóm nghiên cứu tập trung vào nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau. Một trong số đố là nhóm Histology for Interface Stability over Time (nghiên cứu độ ổn định giao tiếp mô qua thời gian). Họ sẽ tìm hiểu về sự tương tác giữa các hệ thống hữu sinh (sống) và vô sinh (nhân tạo), từ đó tìm ra nguyên nhân khiến liên kết giữa bộ phận giả và sợi thần kinh mất đi cũng như các yếu tố liên quan.
Các nhóm còn lại bao gồm Reliable Peripheral Interfaces (nhóm nghiên cứu các giao tiếp ngoại vi có độ tin cậy cao) và Reliable Central-Nervous-System Interfaces (nhóm nghiên cứu các giao tiếp hệ thần kinh trung ương có độ tin cậy cao). Họ đang chế tạo các hệ thống thử nghiệm để tìm hiểu xem bằng cách nào các giao diện được kết nối trực tiếp với não và tủy sống có thể được sử dụng để điều khiển chân tay giả với độ ổn định và hiệu năng cao.
Tại Viện phục hồi chức năng Chicago, các nhóm nghiên cứu thuộc chương trình RE-NET đã thử nghiệm một hệ thống cánh tay giả với khả năng hoạt động phối hợp với tay thật trên cơ thể người. Tham giả thử nghiệm là cựu đại đội trưởng Glen Lehman - anh đã bị thương tại chiến trường Iraq và phải cắt bỏ tay phải. Cánh tay giả của Lehman hoạt động trên một hệ thống Tái phân bổ dây thần kinh cơ. Theo đó, nhiều sợi thần kinh sẽ được chuyển đến các khu vực của một bó cơ mục tiêu và sau đó sử dụng các tín hiệu độc lập từ dây thần kinh để điều khiển cánh tay giả.
Theo Jack Judy, quản lý chương trình tại DARPA: "Mặc dù thế hệ giao tiếp não hay vỏ não hiện tại vẫn đang được sử dụng để điều khiển nhiều góc độ cử động cho các bộ phận giả tiên tiến nhưng giới nghiên cứu vẫn tìm cách cải tiến tính khả thi và hiệu năng dài hạn. Giao diện vỏ não do RE-NET phát triển tiến đến một cấp độ kiểm soát cao hơn và có hiệu năng/độ ổn định tương tác giữa thành phần hữu sinh/vô sinh tốt hơn. Do thủ tục cấy ghép ít rủi ro và ít xâm lấn, giao diện ngoại vi mang lại tiềm năng lớn hơn so với các hệ thống điện cực cấy vào vỏ não vẫn đang được dùng để điều trị ngắn hạn cho các bệnh nhân mất chi. Những cải tiến công nghệ của chương trình RE-NET đã sẵn sàng để thử nghiệm lâm sàn trên các binh lính không may bị mất tay chân vì chiến tranh."
Ngoài giao diện thần kinh, cảm biến phản hồi xúc giác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các bộ phận chân tay giả tiên tiến. Nếu không có cảm biến xúc giác, một cánh tay giả cũng chỉ giống như một thanh kim loại vô tri vô giác cần phải được kiểm soát bằng mắt. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại đại học Case Western Reserve đã sử dụng một loại giao diện điện cực thần kinh mỏng có tên FINE để chứng minh khả năng phản hồi trực tiếp của cảm biến xúc giác. Thay vì khai thác các dây thần kinh còn lại trên cơ thể bệnh nhân vốn chỉ để điều khiển bộ phận giả, các nhà nghiên cứu đã liên kết chúng với cảm biến xúc giác để mang lại những cảm giác cơ bản cho bệnh nhân khi tiếp xúc với vật thể. Bằng cách này, bệnh nhân sẽ ít nhiều có ý thức về các chi, biết được chúng đang làm gì, từ đó họ có thể sử dụng tay giả để lục lọi tìm kiếm đồ vật trong túi.
DARPA cho biết chương trình RE-NET sẽ kéo dài đến hết năm 2016. Dưới đây là video trình diễn khả năng điều khiển phối hợp giữa tay giả và tay thật trên bệnh nhân Lehman.
