O mana robotizata oferă control tactil purtatorului
O mana robotizata oferă control tactil purtatorului
O mana robotizata oferă control tactil purtatorului
O echipă de cercetare a descoperit că o proteză de mână, proiectată cu un sistem de feedback tactil, a restabilit un nivel de senzații în membrul rezidual al unui voluntar. Noul design pentru mâna robotizată este, de asemenea, surprinzător de durabil.
Mâna este o componentă integrală a corpului uman, cu un spectru incredibil de funcționalitate. Pe lângă faptul că posedă abilități motorii brute și fine esențiale pentru supraviețuirea fizică, mâna este fundamentală pentru convențiile sociale, permițând salutul și expresia artistică.
Pierderea uneia sau a ambelor mâini este, așadar, o experiență devastatoare, care necesită un sprijin psihologic semnificativ și reabilitare fizică. De-a lungul timpului, oamenii au folosit diverse tehnologii pentru a proiecta dispozitive care să faciliteze reintegrarea persoanelor cu amputații în societate.
Protezele de mână au evoluat mult de-a lungul anilor, iar în prezent există un număr tot mai mare de neuroprotetice comerciale, membre bionice foarte articulate, proiectate pentru a detecta semnalele musculare reziduale ale utilizatorului și pentru a imita mișcările intenționate.
Această dexteritate high-tech are un preț foarte mare, însă, protezele foarte avansate ajungând să coste și zeci de mii de dolari. În plus, sunt construite în jurul unor schelete metalice, cu motoare electrice, care pot fi grele, lipsite de confort și rigide.
În acest context, inginerii de la Institutul Tehnologic din Massachussets (MIT) și de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai au proiectat o mână neuroprotetică moale, ușoară și potențial ieftină. Persoanele cu amputații care au testat membrul artificial au efectuat activități zilnice, cum ar fi închiderea fermoarului unei valize, turnarea unei cutii de suc și mângâierea unei pisici, la fel de bine ca (și, în unele cazuri, mai bine decât) acelea cu proteze de mână mai rigide.
O proteză de mână mai confortabilă, mai ieftină și mai performantă
Cercetătorii au descoperit că această proteză, proiectată cu un sistem de feedback tactil, a restabilit o senzație primitivă în membrul rezidual al unui voluntar. Noul design este, de asemenea, surprinzător de durabil, recuperându-se rapid după ce a fost lovit cu un ciocan sau lovit cu o mașină.
Mâna inteligentă este moale și elastică și cântărește aproximativ o jumătate de kilogram. Componentele acestei proteze de mână însumează aproximativ 500 de dolari, adică mult mai puțin decât costul materialului asociat cu membrele inteligente mai rigide.
Această proteză de mână nu este deocamdată un produs, spun cercetătorii, dar performanța este deja similară sau superioară neuroprotezelor existente. Există un potențial uriaș de a produce această mână robotizată moale la un cost foarte scăzut, pentru familiile cu venituri mici în care un membru al familiei a suferit o amputare. Acest design flexibil realizat de echipa de cercetare seamănă oarecum cu un anume robot gonflabil din filmul de animație „Big Hero 6”. La fel ca acesta, mâna artificială este realizată dintr-un material moale și elastic - în acest caz, elastomerul comercial EcoFlex.
Proteza cuprinde cinci degete asemănătoare cu un balon, fiecare încorporat cu segmente de fibre, similare cu oasele articulate din degetele reale ale unei persoane. Articulațiile sunt conectate la o „palmă” imprimată 3D, în formă de mână umană.
În loc să controleze fiecare deget folosind motoare electrice montate, așa cum fac majoritatea neuroprotezelor, cercetătorii au folosit pentru această proteză de mână un sistem pneumatic simplu pentru a umfla cu precizie degetele și a le îndoi în poziții specifice. Acest sistem, care include o mică pompă și valve, poate fi purtat în talie, reducând semnificativ greutatea protezei.
Oamenii de știință au dezvoltat un model computerizat pentru a corela poziția dorită a unui deget cu presiunea corespunzătoare pe care ar trebui să o aplice o pompă pentru a atinge acea poziție. Folosind acest model, echipa a dezvoltat un dispozitiv de control care direcționează sistemul pneumatic pentru a umfla degetele, în poziții care imită cinci prinderi obișnuite, inclusiv formarea unui pumn sau apucarea cu două degete a unui obiect.
Sistemul pneumatic primește semnale de la senzorii EMG - senzori de electromiografie care măsoară semnalele electrice generate de neuronii motori pentru a controla mușchii. Senzorii sunt montați la deschiderea protezei, unde se atașează de membrul utilizatorului. În acest aranjament, senzorii pot capta semnale de la un membru rezidual, cum ar fi, de exemplu, când pacientul cu amputație își imaginează că strânge pumnul.
Echipa a folosit apoi un algoritm existent care „decodifică” semnalele musculare și le raportează la tipurile de apucare obișnuite. Cercetătorii au folosit acest algoritm pentru a programa controlerul pentru sistemul lor pneumatic. Când un om cu mâna amputată își imaginează, de exemplu, că ține un pahar cu vin, senzorii preiau semnalele musculare reziduale, pe care controlerul le traduce apoi în presiuni corespunzătoare. Apoi, pompa aplică acele presiuni pentru a umfla fiecare deget și pentru a produce prinderea dorită.
Mâna robotizată ajută și la simțirea obiectelor atinse
Mergând un pas mai departe în designul lor, cercetătorii au căutat să obțină feedback tactil, o caracteristică neîncorporată în majoritatea neuroprotezelor comerciale. Pentru a face acest lucru, au cusut la fiecare vârf de deget un senzor de presiune, care atunci când este atins sau strâns produce un semnal electric proporțional cu presiunea detectată. Fiecare senzor este conectat la o anumită locație pe membrul rezidual, astfel încât utilizatorul să poată „simți” atunci când degetul mare al protezei este apăsat, de exemplu, pe degetul arătător.
Pentru a testa mâna robotizată gonflabilă, cercetătorii au înrolat doi voluntari, fiecare cu amputații ale membrelor superioare. Odată echipați cu proteza de mână, voluntarii au învățat să o folosească contractând în mod repetat mușchii brațului lor, în timp ce își imaginau că fac cinci prinderi comune.
După finalizarea acestui antrenament de 15 minute, voluntarilor li s-a cerut să efectueze o serie de teste standardizate pentru a demonstra forța și dexteritatea manuală. Aceste sarcini au inclus întoarcerea unor pagini, scrisul cu un pix, ridicarea de bile grele și ridicarea de obiecte fragile precum căpșuni sau pâine. Ei au repetat aceleași teste folosind o mână bionică mai rigidă, disponibilă comercial și au descoperit că proteza gonflabilă a fost la fel de bună, sau chiar mai bună, pentru majoritatea sarcinilor, în comparație cu omologul său rigid.
Un voluntar a putut, de asemenea, să folosească în mod intuitiv mâna robotizată în activitățile zilnice, de exemplu pentru a mânca alimente precum biscuiți, prăjituri și mere și pentru a manipula obiecte și unelte, cum ar fi laptopuri, sticle, ciocane și clești.
Într-un exercițiu deosebit de interesant, cercetătorii l-au legat la ochi pe voluntar și au descoperit că putea discerne în ce deget protetic a fost înțepat ca parte testului. De asemenea, a putut „simți” sticle de diferite dimensiuni care au fost plasate în mâna protetică și le-a ridicat drept răspuns.
Oamenii de știință văd aceste experimente ca pe un semn promițător că persoanele cu mâini amputate pot recăpăta o formă de senzație și control în timp real cu ajutorul acestei proteze de mână. Aceștia au depus un brevet asupra designului, prin MIT, și continuă să lucreze la proteză pentru a îmbunătăți detectarea și gama de mișcare.
Sursă: Shutterstock
Bibliografie:
Nature Biomedical Engineering - A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback
https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0
1. Studiul „A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback”, apărut în Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00767-0, autori: Gu, G., Zhang, N., Xu, H. et al.
NCBI - The evolution of functional hand replacement: From iron prostheses to hand transplantation
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4128433/
Te-ar mai putea interesa și...
