Исследователи из университетов Джона Хопкинса и Дрекселя говорят, что добавление тактильных ощущений — искусственного осязания — к протезам верхних конечностей снижает умственные усилия, необходимые для работы с устройством, приближая нас к разработке протезной технологии, которая больше похожа на здоровые конечности.
В том, что исследователи называют первым исследованием такого рода, межведомственная группа использовала нейровизуализацию, чтобы выяснить, поможет ли тактильная обратная связь людям, использующим протезы рук, тратить меньше умственных усилий при выполнении задач. Результаты этой группы были опубликованы сегодня в журнале IEEE Transactions on Human Machine Systems .
«Исследования показали, что добавление тактильных ощущений к протезам имеет свои преимущества, поскольку сенсорная информация помогает пользователю лучше выполнять задачи», — говорит старший автор Джереми Д. Браун, доцент кафедры машиностроения инженерной школы Уайтинга Университета Джона Хопкинса. «Но остается неясным, как тактильная обратная связь влияет на когнитивные процессы . Наше исследование предоставляет убедительные доказательства того, что тактильная обратная связь полезна как с когнитивной точки зрения, так и с точки зрения выполнения задач».
Протезы конечностей могут улучшить качество жизни многих людей с ампутированными конечностями, но некоторые также сообщают, что их использование для выполнения повседневных задач может быть сложной задачей. Протезы промышленного производства предлагают пользователю ограниченную сенсорную обратную связь или ее отсутствие; вместо этого пользователи в значительной степени полагаются на визуальную обратную связь — внимательно наблюдая за своим устройством во время его перемещения — чтобы точно контролировать свои движения.
Необходимость постоянно следить за своим протезом во время его использования утомляет некоторых пользователей, из-за чего некоторые вообще отказываются от своего устройства. Несмотря на это, было проведено относительно мало исследований для оценки умственных потребностей людей, использующих протезы.
В этом исследовании участников попросили использовать протез, чтобы сжать три блока, которые выглядели одинаково, но на самом деле имели разную степень жесткости, и определить самый жесткий. Они выполняли эту задачу, используя здоровую руку, используя стандартный протез и протез, обеспечивающий обратную связь силы захвата посредством вибрации.
Используя функциональную ближнюю инфракрасную спектроскопию, исследователи измерили умственные усилия участников исследования, когда они выполняли простые задачи, используя протез руки. Предоставлено: Университет Джона Хопкинса.
Во время выполнения каждой задачи исследователи измеряли умственные усилия отдельных участников с помощью метода нейровизуализации, называемого функциональной ближней инфракрасной спектроскопией , fNIRS, который непосредственно контролировал их мозговую активность . С помощью fNIRS участники носят переносные головные уборы, которые измеряют изменяющийся во времени характер умственных усилий по изменениям уровней оксигенации крови в префронтальной коре, части мозга, участвующей в принятии решений, планировании и другом поведении; Чем более сложна задача с точки зрения познания, тем больше кислорода перекачивается в префронтальную кору .
«Мобильная нейровизуализация на основе FNIRS позволяет непрерывно измерять функции мозга во все более реалистичных условиях и, следовательно, позволяет изучать естественное познание с помощью практических приложений в повседневной жизни», — говорит Хасан Аяз, соавтор исследования, доцент и научный сотрудник Provost Solutions в Школе биомедицинской инженерии, науки и систем здравоохранения Дрексельского университета. «Это исследование также демонстрирует развивающуюся междисциплинарную область нейроэргономики, которая извлекает выгоду из достижений мобильной нейровизуализации и может помочь в разработке инструментов, технологий и рабочих сред, включая протезирование».
Сравнивая когнитивную нагрузку в разных условиях, команда обнаружила, что участники, использующие здоровые руки, показали лучшие результаты с наименьшими умственными усилиями. Исследователи говорят, что этого следовало ожидать, учитывая, что человеческая рука оснащена примерно 17000 сенсорных рецепторов. Но при использовании протеза с интегрированной тактильной обратной связью участники выполняли задачу лучше и регистрировали более низкую когнитивную нагрузку, чем участники, использовавшие стандартный протез.