Onderzoekers van de Johns Hopkins University hebben een betere handprothese gecreëerd met een hybride ontwerp dat met precies de juiste hoeveelheid druk een verscheidenheid aan voorwerpen subtiel kan vastpakken. De aanhangsels van de robot combineren stijve en flexibele componenten om de natuurlijke structuur van de menselijke hand na te bootsen, evenals een reeks sensoren en systemen die feedback geven aan de zenuwen van de gebruiker.
In experimenten heeft het met succes vijftien verschillende voorwerpen opgepikt en gemanipuleerd, waaronder kwetsbare knuffelbeesten, kartonnen dozen, ananassen, metalen waterflessen en zelfs een dun plastic bekertje gevuld met water – zonder ze te deuken of te beschadigen.
"We willen mensen met ontbrekende bovenste ledematen in staat stellen veilig en vrij met hun omgeving om te gaan en hun dierbaren te voelen en te knuffelen zonder bang te hoeven zijn hen pijn te doen", legt Sriramana Sankar uit, een doctoraalstudent biomedische technologie die het onderzoeksproject leidde. Sankar presenteerde de bevindingen in zijn eerste auteursartikel, deze week gepubliceerd in Science Advances.
Het protheseapparaat lijkt sterk op een menselijke hand, met zijn vijfgewrichtsvingers gemaakt van een zacht, rubberachtig polymeer en een 3D-geprint skelet. Drie lagen bio-geïnspireerde tactiele sensoren maken het mogelijk om verschillende objecten correct vast te pakken en te onderscheiden. De gewrichten van de vingers zijn gevuld met lucht en worden aangestuurd door de spieren van de onderarm.
"Zintuiglijke informatie van de vingers wordt vertaald in neurale taal, waardoor natuurlijke sensorische feedback ontstaat door middel van elektrische zenuwstimulatie", aldus Sankar. "Dit is te danken aan een machine learning-algoritme dat de signalen van de sensoren concentreert en ze vervolgens terugstuurt naar de zenuwen in het lichaam van de gebruiker - vergelijkbaar met andere protheses."
Deze signalen overbruggen de kloof tussen de hersenen en de zenuwen, waardoor de hand kan reageren op wat hij aanraakt. Dit systeem zorgt ervoor dat de robot intuïtiever in gebruik is en meer op een echte robothand lijkt dan vergelijkbare producten die we eerder hebben gezien.
Momenteel kunnen robothanden worden bestuurd met behulp van myo-elektrische signalen, en mensen met verlies van de bovenste ledematen gebruiken meestal myo-elektrische signalen om myo-elektrische prothetische handen te besturen. Een gebaargestuurd apparaat van $ 150, de MyoArmband genaamd, verzamelt en classificeert myo-elektrische signalen en stuurt vervolgens de handpositie naar een Arduino-microcontroller, die de robothand pneumatisch aanstuurt.
"Als je een kop koffie vasthoudt, hoe weet je dan dat je hem gaat laten vallen?" zei studieleider Nitish Thakor. "Je handpalmen en vingertoppen sturen signalen naar je hersenen dat de beker wegglijdt." Ons systeem is neuraal geïnspireerd - het is gemodelleerd op de tastreceptoren van de hand, die neurale informatie genereren, zodat het 'brein' van de prothese, of de computer, kan begrijpen of iets warm of koud is, zacht of hard, of dat het uit de greep glijdt. "
Dit is een stap voorwaarts ten opzichte van eerdere inspanningen die we hebben gezien op het gebied van de ontwikkeling van prothesen. Vorig jaar demonstreerden Italiaanse wetenschappers een manier om de temperatuur te detecteren van objecten die een prothetische hand aanraakt. En al in 2021 demonstreerde een gezamenlijk project tussen MIT en Shanghai Jiao Tong University een prothetische hand die individuele vingers gemaakt van zacht elastomeer nauwkeurig kan opblazen om voorwerpen vast te pakken en tactiele feedback te geven.
De nieuwe technologie zou geamputeerden kunnen voorzien van preciezere, natuurlijk aanvoelende protheses, en humanoïde robots in staat stellen om handiger met delicate voorwerpen in huis om te gaan en meer robots op lopende banden te bouwen.
Het team zal het apparaat blijven ontwikkelen en onderzoeken of het een sterkere grip, meer sensoren en materialen van hogere kwaliteit kan toevoegen.