Voor de meer dan 5 miljoen mensen in de wereld die een amputatie van de bovenste ledematen hebben ondergaan, hebben protheses een lange weg afgelegd. Naast traditionele mannequin-achtige aanhangsels, is er een groeiend aantal commerciële neuroprotheses - sterk gearticuleerde bionische ledematen, ontworpen om de resterende spiersignalen van een gebruiker te detecteren en de beoogde bewegingen robotachtig na te bootsen.

Maar deze hightech behendigheid heeft een prijs. Neuroprotheses kunnen tienduizenden dollars kosten en zijn gebouwd rond metalen skeletten, met elektromotoren die zwaar en stijf kunnen zijn.

Nu hebben ingenieurs van het MIT en de Shanghai Jiao Tong University een zachte, lichtgewicht en mogelijk goedkope neuroprothetische hand ontworpen. Geamputeerden die het kunstledemaat testten, voerden dagelijkse activiteiten uit, zoals een koffer dichtritsen, een pak sap inschenken en een kat aaien, net zo goed - en in sommige gevallen beter dan - degenen met meer rigide neuroprotheses.

De onderzoekers ontdekten dat de prothese, ontworpen met een systeem voor tactiele feedback, een primitief gevoel in het restledemaat van een vrijwilliger herstelde. Het nieuwe ontwerp is ook verrassend duurzaam en herstelt snel nadat het met een hamer is geraakt of met een auto is overreden.

De slimme hand is zacht en elastisch en weegt ongeveer een half pond. De componenten bedragen in totaal ongeveer $ 500 - een fractie van het gewicht en de materiaalkosten die gepaard gaan met stijvere slimme ledematen.

"Dit is nog geen product, maar de prestaties zijn al vergelijkbaar of superieur aan bestaande neuroprothesen, waar we enthousiast over zijn", zegt Xuanhe Zhao, hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek aan het MIT. "Er is een enorm potentieel om deze zachte prothese zeer goedkoop te maken, voor gezinnen met een laag inkomen die hebben geleden onder amputatie."

Zhao en zijn collega's hebben hun werk vandaag gepubliceerd in Natuur Biomedische Technologie. Co-auteurs zijn onder meer MIT-postdoc Shaoting Lin, samen met Guoying Gu, Xiangyang Zhu en medewerkers aan de Shanghai Jiao Tong University in China.

Grote held hand

Het plooibare nieuwe ontwerp van het team vertoont een griezelige gelijkenis met een bepaalde opblaasbare robot in de animatiefilm 'Big Hero 6'. Net als de squishy android, is de kunstmatige hand van het team gemaakt van zacht, rekbaar materiaal - in dit geval het commerciële elastomeer EcoFlex. De prothese bestaat uit vijf ballonachtige vingers, elk ingebed met vezelsegmenten, vergelijkbaar met gearticuleerde botten in echte vingers. De buigzame cijfers zijn verbonden met een 3D-geprinte "palm", in de vorm van een menselijke hand.

In plaats van elke vinger te besturen met behulp van gemonteerde elektrische motoren, zoals de meeste neuroprotheses doen, gebruikten de onderzoekers een eenvoudig pneumatisch systeem om vingers nauwkeurig op te blazen en in specifieke posities te buigen. Dit systeem, inclusief een kleine pomp en ventielen, kan in de taille worden gedragen, waardoor het gewicht van de prothese aanzienlijk wordt verminderd.

Lin ontwikkelde een computermodel om de gewenste positie van een vinger te relateren aan de overeenkomstige druk die een pomp zou moeten uitoefenen om die positie te bereiken. Met behulp van dit model ontwikkelde het team een ​​controller die het pneumatische systeem aanstuurt om de vingers op te blazen, in posities die vijf gebruikelijke grepen nabootsen, waaronder twee en drie vingers samenknijpen, een gebalde vuist maken en de handpalm tot een kom vormen.

Het pneumatische systeem ontvangt signalen van EMG-sensoren - elektromyografiesensoren die elektrische signalen meten die worden gegenereerd door motorneuronen om spieren te besturen. De sensoren worden aangebracht bij de opening van de prothese, waar deze aan het ledemaat van een gebruiker wordt bevestigd. In deze opstelling kunnen de sensoren signalen opvangen van een restledemaat, zoals wanneer een geamputeerde zich voorstelt een vuist te maken.

Het team gebruikte vervolgens een bestaand algoritme dat spiersignalen "decodeert" en relateert aan veelvoorkomende grijptypen. Ze gebruikten dit algoritme om de controller voor hun pneumatische systeem te programmeren. Wanneer een geamputeerde zich bijvoorbeeld voorstelt een wijnglas vast te houden, pikken de sensoren de resterende spiersignalen op, die de controller vervolgens vertaalt in overeenkomstige drukken. De pomp oefent vervolgens die druk uit om elke vinger op te blazen en de beoogde greep van de geamputeerde te produceren.

De onderzoekers gingen een stap verder in hun ontwerp en probeerden tactiele feedback mogelijk te maken - een functie die niet is opgenomen in de meeste commerciële neuroprothesen. Om dit te doen, hechtten ze aan elke vingertop een druksensor, die bij aanraking of knijpen een elektrisch signaal produceert dat evenredig is met de waargenomen druk. Elke sensor is verbonden met een specifieke locatie op het restledemaat van een geamputeerde, zodat de gebruiker kan 'voelen' wanneer bijvoorbeeld de duim van de prothese wordt ingedrukt ten opzichte van de wijsvinger.

Goede grip

Om de opblaasbare hand te testen, schakelden de onderzoekers twee vrijwilligers in, elk met amputaties van de bovenste ledematen. Eenmaal uitgerust met de neuroprothese, leerden de vrijwilligers het te gebruiken door herhaaldelijk de spieren in hun arm samen te trekken terwijl ze zich voorstelden vijf gemeenschappelijke grepen te maken.

Na het voltooien van deze 15 minuten durende training werden de vrijwilligers gevraagd om een ​​aantal gestandaardiseerde tests uit te voeren om manuele kracht en behendigheid aan te tonen. Deze taken omvatten schijven stapelen, pagina's omslaan, schrijven met een pen, zware ballen optillen en kwetsbare voorwerpen zoals aardbeien en brood oppakken. Ze herhaalden dezelfde tests met een stijvere, in de handel verkrijgbare bionische hand en ontdekten dat de opblaasbare prothese bij de meeste taken even goed of zelfs beter was in vergelijking met zijn stijve tegenhanger.

Een vrijwilliger kon de zachte prothese ook intuïtief gebruiken bij dagelijkse activiteiten, bijvoorbeeld bij het eten van crackers, cake en appels, en bij het hanteren van voorwerpen en gereedschappen, zoals laptops, flessen, hamers en tangen. Deze vrijwilliger kon de squishy prothese ook veilig manipuleren, bijvoorbeeld om iemand de hand te schudden, een bloem aan te raken en een kat te aaien.

In een bijzonder opwindende oefening blinddoekten de onderzoekers de vrijwilliger en ontdekten dat hij kon onderscheiden met welke prothesevinger ze prikten en borstelden. Hij was ook in staat om flessen van verschillende groottes die in de prothesehand werden geplaatst, te 'voelen' en als reactie daarop op te tillen. Het team ziet deze experimenten als een veelbelovend teken dat geamputeerden een vorm van sensatie en realtime controle kunnen terugkrijgen met de opblaasbare hand.

Het team heeft via MIT een patent aangevraagd op het ontwerp en werkt aan het verbeteren van de detectie en het bewegingsbereik.

“We hebben nu vier grijptypen. Er kan meer zijn', zegt Zhao. "Dit ontwerp kan worden verbeterd, met betere decoderingstechnologie, myo-elektrische arrays met een hogere dichtheid en een compactere pomp die om de pols kan worden gedragen. We willen het ontwerp ook aanpassen voor massaproductie, zodat we zachte robottechnologie kunnen vertalen naar de samenleving.”

PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.

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