上肢切断を受けた世界の5万人以上の人々にとって、義肢は長い道のりを歩んできました。 従来のマネキンのような付属肢を超えて、ユーザーの残留筋信号を感知し、ロボットが意図した動きを模倣するように設計された、高度に関節のある生体工学の手足など、市販の神経補綴物が増えています。

しかし、このハイテクの器用さには代償が伴います。 神経補綴物は数万ドルの費用がかかる可能性があり、重くて硬い可能性のある電気モーターを備えた金属骨格を中心に構築されています。

現在、MITと上海交通大学のエンジニアは、柔らかく、軽量で、潜在的に低コストの神経補綴ハンドを設計しました。 義肢をテストした切断者は、スーツケースを圧縮したり、ジュースのカートンを注いだり、猫を撫でたりするなどの日常的な活動を行いました。

研究者たちは、触覚フィードバック用のシステムで設計された義肢が、ボランティアの残りの手足に原始的な感覚を回復させることを発見しました。 新しいデザインは驚くほど耐久性があり、ハンマーで叩いたり、車にひかれたりするとすぐに回復します。

スマートハンドは柔らかく弾力性があり、重さは約500ポンドです。 そのコンポーネントの合計は約XNUMXドルです。これは、より剛性の高いスマートリムに関連する重量と材料費のほんの一部です。

「これはまだ製品ではありませんが、パフォーマンスはすでに既存の神経補綴物と同等かそれより優れています。これは私たちが興奮していることです」とMITの機械工学および土木環境工学のXuanheZhao教授は述べています。 「切断に苦しんでいる低所得の家族にとって、この柔らかい補綴物を非常に低コストにする大きな可能性があります。」

趙と彼の同僚は今日彼らの作品を ネイチャーバイオメディカルエンジニアリング。 共著者には、MITのポスドクであるShaoting Lin、Guoying Gu、Xiangyang Zhu、および中国の上海交通大学の共同研究者が含まれます。

ビッグヒーローハンド

チームのしなやかな新しいデザインは、アニメーション映画「BigHero6」の特定のインフレータブルロボットに不思議な類似性を持っています。 スクイーズなアンドロイドのように、チームの人工の手は柔らかく伸縮性のある素材で作られています。この場合は、市販のエラストマーEcoFlexです。 補綴物は、実際の指の関節のある骨と同様に、それぞれが繊維のセグメントで埋め込まれた3本の風船のような指で構成されています。 曲がりくねった指は、人間の手の形をしたXNUMXDプリントされた「手のひら」に接続されています。

ほとんどの神経補綴が行うように、取り付けられた電気モーターを使用して各指を制御するのではなく、研究者は単純な空気圧システムを使用して指を正確に膨らませ、特定の位置に曲げました。 小さなポンプとバルブを含むこのシステムは、腰に装着することができ、義肢の重量を大幅に軽減します。

Linは、指の希望の位置を、その位置を達成するためにポンプが適用する必要のある対応する圧力に関連付けるためのコンピューターモデルを開発しました。 このモデルを使用して、チームは、XNUMX本とXNUMX本の指をつまむ、こぶしを丸める、手のひらをすくうなど、XNUMXつの一般的な握りを模倣する位置で、空気圧システムに指を膨らませるように指示するコントローラーを開発しました。

空気圧システムは、EMGセンサー（運動ニューロンによって生成された電気信号を測定して筋肉を制御する筋電図センサー）から信号を受信します。 センサーは、義肢の開口部に取り付けられ、ユーザーの手足に取り付けられます。 この配置では、切断者が拳を作ることを想像するときなど、センサーは残りの手足から信号を拾うことができます。

次に、チームは、筋肉信号を「デコード」し、それらを一般的な把握タイプに関連付ける既存のアルゴリズムを使用しました。 彼らはこのアルゴリズムを使用して、空気圧システムのコントローラーをプログラムしました。 たとえば、切断者がワイングラスを持っていると想像すると、センサーが残りの筋肉信号を取得し、コントローラーが対応する圧力に変換します。 次に、ポンプはそれらの圧力を加えて各指を膨らませ、切断者の意図した握りを生み出します。

研究者たちは、設計をさらに一歩進めて、触覚フィードバックを可能にすることを目指しました。これは、ほとんどの市販の神経補綴に組み込まれていない機能です。 これを行うために、彼らは各指先に圧力センサーを縫い付けました。圧力センサーは、触れたり絞ったりすると、感知した圧力に比例した電気信号を生成します。 各センサーは、切断者の残りの手足の特定の場所に配線されているため、ユーザーは、たとえば人差し指に対して義手の親指を押したときに「感じる」ことができます。

良いグリップ

膨脹可能な手をテストするために、研究者はそれぞれ上肢切断をしたXNUMX人のボランティアを参加させました。 神経補綴物を装着したボランティアは、XNUMXつの一般的な握り方を想像しながら、腕の筋肉を繰り返し収縮させることで、神経補綴物の使用法を学びました。

この15分間のトレーニングを完了した後、ボランティアは、手動の強さと器用さを実証するために、いくつかの標準化されたテストを実行するように求められました。 これらのタスクには、チェッカーの積み重ね、ページのめくり、ペンでの書き込み、重いボールの持ち上げ、イチゴやパンなどの壊れやすい物の拾い上げが含まれていました。 彼らは、より剛性の高い市販のバイオニックハンドを使用して同じテストを繰り返し、インフレータブル義足は、その硬い対応物と比較して、ほとんどのタスクで同等またはさらに優れていることを発見しました。

あるボランティアは、クラッカー、ケーキ、リンゴなどの食べ物を食べたり、ラップトップ、ボトル、ハンマー、ペンチなどの物体や道具を扱ったりするなど、日常の活動で柔らかい義足を直感的に使用することもできました。 このボランティアは、スクイーズ義足を安全に操作することもできます。たとえば、誰かの手を振ったり、花に触れたり、猫を撫でたりすることができます。

特にエキサイティングなエクササイズで、研究者たちはボランティアを目隠しし、彼がどの義指を突いたり磨いたりしたかを見分けることができることを発見しました。 彼はまた、義手に置かれたさまざまなサイズのボトルを「感じる」ことができ、それに応じてそれらを持ち上げました。 チームは、これらの実験を、切断者が膨脹可能な手で感覚とリアルタイム制御の形を取り戻すことができるという有望な兆候と見なしています。

チームはMITを通じて設計に関する特許を申請し、その検知と可動域の改善に取り組んでいます。

「現在、XNUMXつの把握タイプがあります。 もっとあるかもしれません」と趙は言います。 「この設計は、より優れたデコードテクノロジー、高密度の筋電アレイ、および手首に装着できるよりコンパクトなポンプによって改善できます。 また、大量生産用に設計をカスタマイズして、ソフトロボット技術を社会に役立てることができるようにしたいと考えています。」

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出典：https：//news.mit.edu/2021/inflatable-robotic-hand-tactile-0816