Znajdź zawartość

Lekka silikonowa opaska może być zakładana pod kask w czasie uprawiania sportu. Wynalazek mierzy przyspieszenia działające na głowę człowieka i aktywność elektryczną kory mózgowej. Dzięki niemu od razu wiadomo, co dzieje się w mózgu, gdy dochodzi do upadku albo zderzenia. Nad opaską pracuje zespół naukowców z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej i dwaj neurochirurdzy – z Wrocławia i Legnicy. Ich urządzenie składa się z kilkunastu czujników – akcelerometrów (mierzących przyspieszenia działające na głowę) oraz czujników pulsu, temperatury ciała, stopnia natlenienia krwi i kwasowości wydzielanego potu. Są tam także elektrody, dzięki którym możliwa jest elektroencefalografia, czyli EEG – pomiar aktywności elektrycznej kory mózgowej. Wszystkie te dane są zapisywanie na karcie pamięci, a potem przetwarzane przez komputer. Sama opaska jest wykonana z lekkiego i przyjemnego dla skóry silikonu i ma (opcjonalne) paski przechodzące przez środek głowy i wkładki douszne z czujnikami ruchu (IMU). Nikt do tej pory nie mierzył, co dzieje się z korą mózgową w czasie uderzenia głowy – podkreśla dr hab. inż. Mariusz Ptak z Katedry Konstrukcji Badań Maszyn i Pojazdów na Wydziale Mechanicznym, kierownik projektu. Zwykle gdy dochodzi do poważniejszego wypadku, EEG jest wykonywane kilkadziesiąt minut po takim zdarzeniu w szpitalu. My mamy szansę zobaczyć, jak zmienia się potencjał elektryczny w mózgu w czasie rzeczywistym. Przylegające do skóry elektrody są jednym z najważniejszych elementów naszej opaski. Każdy organizm jest bowiem inny i u niektórych ludzi nawet mały uraz może być przyczyną bardzo poważnych powikłań. Dlatego sam pomiar sił działających na głowę mógłby być niewystarczającym wskaźnikiem dla określenia ryzyka poważnego urazu. EEG pozwala nam bardzo dokładnie przyjrzeć się wszystkiemu, co dzieje się w głowie człowieka. Badania na zawodniku futbolu amerykańskiego Do tej pory badania na ludzkim mózgu związane z uderzeniami w czasie rzeczywistym – z oczywistych powodów – prowadzono na ciałach zmarłych. Nie wiemy natomiast, co dzieje się w mózgu osoby żyjącej. Wyniki mogą być zupełnie inne od tych dostępnych w literaturze, bo przecież wiele parametrów jest skrajnie odmiennych, jak choćby stopień nawodnienia organizmu – tłumaczy Johannes Wilhelm, doktorant na Wydziale Mechanicznym uczestniczący w tym projekcie. Dzięki opasce możemy dowiedzieć się np., co prowadzi do utraty świadomości człowieka. Będziemy mogli przeanalizować, jakie fale przechodzą przez mózg i jak on na nie reaguje. Naukowcy nie zamierzają oczywiście doprowadzać do wypadków osób zakładających zaprojektowaną i zbudowaną przez nich opaskę. Chcą przeprowadzić dużą liczbę badań, licząc na to, że przy okazji uda się zarejestrować także upadki czy zderzenia, które są nieuniknione przy aktywności fizycznej. Do udziału zaprosili więc wolontariuszy uprawiających różne dyscypliny sportu, w tym m.in. studenta naszej uczelni, który jest zawodowym graczem wrocławskiego zespołu futbolu amerykańskiego. Mamy już sporo danych dotyczących codziennej aktywności ludzi, np. podskakiwania czy biegania, które też są dla nas istotne, bo wiemy już, jak zachowuje się wtedy mózg i jakie naprężenia przez niego przechodzą – opowiada Marek Sawicki, doktorant na Wydziale Mechanicznym i współautor pomysłu. Naukowcy chcą stworzyć model pokazujący, jak rozchodzą się przyspieszenia w głowie człowieka przy konkretnym uderzeniu. Stąd potrzeba jak największej ilości danych, by model był wiarygodny. Chcemy zarejestrować dane od osób jeżdżących na rowerze, nartach, snowboardzie itd. Im większe zróżnicowanie, tym lepiej dla naszych badań – dodaje Johannes Wilhelm. Interesujące dla nas mogą być nawet dane z opaski osoby bawiącej się na dużym koncercie, stojącej niedaleko nagłośnienia. Członkowie zespołu sprawdzali wcześniej prototyp swojego wynalazku na manekinie o rozmiarach dziecka, służącym normalnie do laboratoryjnych badań zderzeniowych. Taką "lalkę" zrzucali z huśtawek i drabinek na placu zabaw, by porównywać zarejestrowane przyspieszenia. Przy okazji przekonaliśmy się, że zimą zabawa dziecka na placu pokrytym masą bitumiczną nie jest najlepszym pomysłem – opowiada dr hab. Ptak. Pomiary wykonywaliśmy przy temperaturze około 4 st. C. Podłoże, które normalnie służy do absorbowania części energii przy upadku, w takich warunkach jest twarde jak asfalt. Nasza opaska zarejestrowała, że na głowę manekina spadającego na podłoże z granulatu gumowego działało przyspieszenie 100 g, czyli naprawdę bardzo duże i grożące poważnymi konsekwencjami. W czym pomoże opaska? Twórcy opaski przekonują, że pozwoli ona nie tylko na dokładne prześledzenie, w jaki sposób dochodzi do uszkodzeń i dysfunkcji w mózgu w wyniku zderzeń i upadków, ale może pomóc np. w pracach nad sprzętem zabezpieczającym głowę (np. testach kasków). Naukowcy są także w kontakcie z neurobiologami z USA, zajmującymi się badaniami związanymi z poprawą pamięci poprzez oddziaływanie elektrodami na mózg. Być może opaska z Wrocławia będzie wykorzystywana również w tych badaniach. Mogłaby służyć także do monitorowania treningów profesjonalnych sportowców, pomagając w ocenie stanu skupienia i stresu, jakiemu te osoby są poddane w czasie przygotowań do sezonu zawodów swojej dyscypliny. Na razie zyskała uznanie w konkursie "Student-Wynalazca" organizowanym przez Politechnikę Świętokrzyską – nagrodzono ją wyróżnieniem w 2019 r. Opaska została też zgłoszona do tegorocznej siódmej edycji konkursu "Eureka! DGP. Odkrywamy polskie wynalazki" – jako jedno z 20 naukowych przedsięwzięć z całej Polski. Naukowcy chcą też ją opatentować – obecnie ich rozwiązanie jest na etapie zgłoszenia patentowego. Wynalazek jest częścią dużego projektu aHEAD  (z ang. advanced Head models for safety Enhancement And medical Development), realizowanego dzięki grantowi "Numeryczny system wielowariantowych modeli głowy człowieka do symulacji patofizjologii urazów czaszkowo-mózgowych" z programu "Lider" Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Nad opaską pracują: dr hab. inż. Mariusz Ptak (PWr), dr inż. Monika Ratajczak z Uniwersytetu Zielonogórskiego, dr inż. Fabio Fernandez z Uniwersytetu Aveiro w Portugalii, doktoranci Johannes Wilhelm, Marek Sawicki i Maciej Wnuk z Wydziału Mechanicznego PWr oraz neurochirurdzy dr Artur Kwiatkowski (Oddział Neurochirurgiczny Wojewódzkiego Specjalistycznego Szpitala w Legnicy) i Konrad Kubicki (Uniwersytecki Szpital Kliniczny we Wrocławiu – Klinika Neurochirurgii). W pracach informatycznych pomaga student W10 Oliwer Sobolewski. O projekcie można także przeczytać na jego stronie internetowej. « powrót do artykułu

Naukowcy twierdzą, że standardowy sposób znakowania pingwinów – zakładanie przepasek na wąskich skrzydłach pełniących rolę płetw napędowych – niekorzystnie wpływa na ich przeżycie i rozmnażanie, zmniejszając ostatecznie tempo powiększania się populacji. Zespół Claire Saraux z Uniwersytetu w Strasburgu przez 10 lat obserwował pingwiny królewskie (Aptenodytes patagonicus) i ustalił, że "zaobrączkowane" osobniki miały o 39% mniej piskląt i o 16% niższy wskaźnik przeżywalności od ptaków nieoznakowanych. Specjaliści sądzą, że uzyskane wyniki obalają tezę, że ptaki ostatecznie zaadaptują się do opaski. Ornitolodzy zauważyli, że po dekadzie oznakowane pingwiny nadal zjawiały się później na obszarach godowo-lęgowych i odbywały dłuższe wyprawy po jedzenie. Ekipa stwierdziła, że reakcje opaskowanych ptaków na zmienność klimatu (zmiany w temperaturze wody na powierzchni morza i w indeksie oscylacji południowej; SOI - od ang. Southern Oscillation index – oblicza się z różnicy ciśnień miesięcznych i sezonowych między Tahiti a wyspą Darwin) były inne niż u nieoznakowanych. Francusko-norweski zespół uważa, że kontynuowanie takiego znakowania pingwinów byłoby w większości sytuacji nieetyczne. Opaski stosuje się od kilkudziesięciu lat. Umożliwiają one zidentyfikowanie poszczególnych zwierząt z odległości. Wcześniejsze studia dawały sprzeczne rezultaty. Jedne sugerowały, że znakowanie jest szkodliwe (podczas pływania opaski generują one tarcie albo ściągają pingwinom na głowę drapieżniki, ponieważ odbijają światło i pokazują, gdzie dokładnie znajduje się nielot), podczas gdy inne – jednoroczne – prowadziły do odwrotnych wniosków. Dlatego też metodę stosowano nadal. By wyjaśnić sprawę raz na zawsze, naukowcy postanowili przeprowadzić wieloletnie badanie podłużne z prawdziwego zdarzenia. Podążali tropem 100 pingwinów królewskich z kolonii zamieszkującej wyspę Possession u wybrzeży Antarktydy. Połowie ptaków założono opaski, a reszcie wszczepiono pod skórę transpondery. Po upływie 10 lat żyło 18 ptaków z grupy transponderowej i 10 z grupy z opaskami. Saraux uważa, że pingwinom można zakładać opaski tylko podczas badań na lądzie, zdejmując je, nim ptak wejdzie do morza. Wtedy pozostają one bezpieczne i użyteczne, gdyż odróżnienie w 50-tysięcznej kolonii "własnych" ptaków naprawdę nie jest łatwe. Wiele grup badawczych nadal stosuje opaski w studiach morskich i jestem prawie pewna, że dojdzie do kontrowersji – niektórzy mogą chcieć kontynuować proceder na innych gatunkach pingwinów, a przecież skutek będzie dla nich zapewne taki sam. Wyjaśnieniem dłuższych wypraw po pokarm i opóźnionego przybywania na obszar lęgowy jest najprawdopodobniej zwiększone tarcie podczas pływania. Naukowcy zaobserwowali to u trzymanych w niewoli pingwinów białobokich.

Choć wiosna dopiero się zaczęła, a do wakacji pozostało dużo czasu, sporej części z nas marzy się już odpoczynek na zalanej słońcem plaży. Naukowcy również myślą z wyprzedzeniem o kąpielach słonecznych, a efektem ich pracy jest urządzenie, które ostrzega przed poparzeniem i chroni przed nowotworami skóry. Pracownicy Wydziału Chemii z University of Strathclyde obmyślili i skonstruowali wskaźnik zmieniający kolor, gdy pojawia się ryzyko poparzenia. Ponieważ jest on wrażliwy na promieniowanie ultrafioletowe, ostrzeżenie zostaje wystosowane, zanim zmiany na skórze staną się widoczne. To ważne, bo proces ten zajmuje od 4 do 8 godzin, a wtedy jest już za późno, by nie dopuścić do uszkodzeń. Miłośnicy opalania będą mogli nosić dozymetr w postaci opaski na nadgarstek. W normalnych okolicznościach bransoletka jest żółta, lecz gdy zbliża się granica, po której przekroczeniu skóra ulegnie poparzeniu, nagle staje się różowa. Urządzenie działa w oparciu o czynnik wydzielający kwas, który wyłapuje promienie UV i rozkłada się pod ich wpływem. Całości dopełnia barwnik, reagujący na pH roztworu. Stosując różne czynniki wyjściowe, można dostosować wskaźnik do potrzeb poszczególnych typów skóry.

W laboratoriach Microsoftu trwają prace nad nowym sposobem komunikacji pomiędzy człowiekiem a komputerem. Inżynierowie z Redmond we współpracy z naukowcami z University of Washington w Seattle pracują nad zakładaną na ramię opaską, która będzie rozpoznawała ruchy palców, rejestrując aktywność mięśni. MUCI (muscle-computer interface) ma przydać się tam, gdzie osoba sterująca komputerem będzie zaangażowana w inne czynności, uniemożliwiające skorzystanie z klawiatury. Opaska założona poniżej łokcia pozwoli np. na sterowanie komputerem podczas jazdy samochodem. Wystarczy, że, trzymając dłonie na kierownicy, będziemy poruszali palcami. Z MUCI skorzystają też np. osoby biorące udział w firmowych spotkaniach. Specjaliści pracujący nad opaską mówią, że inne metody sterowania maszyną, takie jak rozpoznawanie mowy czy gestów, są wciąż bardzo niedoskonałe, a ich wykorzystanie w wielu sytuacjach jest niemożliwe. Obecnie prototypowa opaska składa się z 10 czujników, które odczytują aktywność elektryczną mięśni. Podobne metody stosuje się w prototypowych nowoczesnych protezach kończyn. Problem jednak w tym, że ich użycie wymaga długotrwałych ćwiczeń pod okiem eksperta. Urządzenie, które ma być wykorzystywane przez przeciętnego człowieka, nie może być jednak aż tak skomplikowane w obsłudze. MUCI ma więc być maksymalnie proste. Użytkownik powinien móc założyć opaskę bez konieczności zastanawiania się, czy założył ją prawidłowo i czy czujniki są w odpowiedniej pozycji. Następnie czujniki same się kalibrują, w zależności od położenia opaski. W przyszłości opaska może przybrać formę zegarka czy biżuterii. Dotychczas przeprowadzono badania na 10 ochotnikach. Wykazały one, że prototyp jest w stanie prawidłowo rozpoznać ruchy wszystkich 10 palców z 95-procentową dokładnością. Co więcej, rozpoznaje też trzy różne siły nacisku palca. Urządzenie działa bardzo dobrze, jeśli ramię jest nieruchome i np. opiera się o biurko - mówi Desney Tan z Microsoftu. Podkreśla jednak, że MUCI znajduje się w bardzo wczesnej fazie rozwoju i potrzeba jeszcze dużo pracy, by uzyskać równie wielką dokładność w czasie, gdy użytkownik będzie ruszał całym ramieniem. Pozostaje też problem wydawania poleceń. Niektóre z nich będą banalnie proste. Odpowiedni ruch określonym palcem podczas jazdy samochodem umożliwi odebranie telefonu. Naukowcy zastanawiają się jednak, jak za pomocą MUCI wprowadzać tekst. Można skorzystać z alfabetu Morse'a, ale mamy nadzieję, że nie jest to jedyne wyjście, bo nie jest łatwo się go nauczyć, a pisanie za jego pomocą jest powolne - mówi Tan. Stephen Brewster, specjalizujący się w interfejsach komputerowych naukowiec z University of Glasgow, jest pod wrażeniem osiągnięć Amerykanów. Uzyskanie 95-procentowej dokładności przy rozpoznawaniu prostych gestów to niezły wynik. To daje możliwość sterowania urządzeniami w czasie gdy, na przykład, niesiesz ciężkie walizki - mówi. Dodaje jednak, że jeśli MUCI ma być wykorzystane do wprowadzania tekstu, to musi zostać udoskonalone.

Zespół naukowców z Tufts University opracował opaskę na głowę, która monitoruje stopień natlenowania krwi docierającej do mózgu. Na tej podstawie może ona ostrzec ludzi pracujących przy komputerze, kiedy stają się krytycznie zmęczeni, zdekoncentrowani lub zestresowani. Opaska działa jak miniaturowy aparat do rezonansu magnetycznego. Daje obraz ludzkich emocji i kondycji w czasie rzeczywistym. Urządzenie przyda się osobom pracującym z komputerem w stresujących warunkach, np. kontrolerom lotów, wojskowym podczas walki czy służbom ratowniczym. W przyszłości badacze chcą ulepszyć interfejs przeznaczony dla przeciętnego użytkownika komputera. Technologia bazuje na funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni (ang. functional near-infrared spectroscopy, fNIRS). Twórcy podkreślają, że jest bezpieczna i nieinwazyjna. Na czole umieszcza się 2 płytki przytrzymywane przez opaskę. fNIRS mierzy stężenie hemoglobiny i natlenienie tkanek mózgu. Na płytkach znajdują się 4 laserowe diody, które emitują promienie z zakresu bliskiej podczerwieni, oraz jeden czujnik rejestrujący odbicie. Fale o tej długości dość dobrze przenikają przez tkanki, dlatego można uzyskać obraz tego, co dzieje się w płatach czołowych na głębokości 2-3 cm. Natlenowana i odtlenowana hemoglobina są głównymi absorbentami światła w tkance. Dostarczają ważnych informacji na temat zmian hemodynamicznych i metabolicznych związanych z aktywnością neuronów. Do tej pory także udawało się ocenić przepracowanie i emocje użytkownika komputera, ale opierało się to głównie na obserwacji w trakcie wykonywania zadań lub na wypełnianych post factum kwestionariuszach, przez co wiele detali umykało. Tymczasem w danym momencie człowiek może być znudzony, a zaraz potem staje się przytłoczony nadmiarem bodźców. Badacze wyróżnili kilka poziomów obciążenia. Najpierw zlecali 4 wolontariuszom wykonanie on-line 30 zadań, a potem prosili o podanie osobistej oceny stopnia trudności. Okazało się, że w 83% przypadków pokrywała się ona ze wskazaniami fNIRS. Uczestnikom eksperymentu wyświetlano 3-wymiarowy obiekt przypominający kostkę Rubika. Sześcian składał się z ośmiu mniejszych kostek. Zmieniała się liczba kolorów ścianek (od 2 do 4), co miało się w założeniu przekładać na stopień przeciążenia. Zadanie polegało na policzeniu ścianek w każdym kolorze. Obiekt obracał się. Stan wyjściowy to biały ekran.