Інженери Університету Джонса Хопкінса розробили новаторський протез руки, який може захоплювати м'які іграшки, пляшки з водою та інші повсякденні предмети, як людина, ретельно підлаштовуючи та регулюючи своє тримання, щоб уникнути пошкодження чи неправильного поводження з тим, що він тримає.
Гібридна конструкція системи є першою для роботизованих рук, які зазвичай були занадто жорсткими або надто м'якими, щоб імітувати дотик людини при поводженні з предметами різних текстур і матеріалів. Інновація пропонує багатообіцяльне рішення для людей із втратою руки та може покращити взаємодію роботизованих рук із навколишнім середовищем.
Подробиці про пристрій опубліковані у Science Advances.
«Метою з самого початку було створення протеза руки, який ми моделюємо на основі фізичних і сенсорних можливостей людської руки — більш природного протеза, який функціонує і відчувається як втрачена кінцівка», — сказав Шрірамана Санкар, аспірант Університету Джонса Хопкінса в галузі біомедичної інженерії, який керував роботою. «Ми хочемо дати людям із втратою верхніх кінцівок можливість безпечно та вільно взаємодіяти з навколишнім середовищем, відчувати та тримати своїх близьких, не турбуючись про те, що вони можуть нашкодити їм».
Пристрій, розроблений тією ж лабораторією нейроінженерії та біомедичного інструментарію, яка у 2018 році створила першу у світі електронну «шкіру» з людським почуттям болю, має багатопальцеву систему з гумоподібними полімерами та жорсткий внутрішній скелет, надрукований на 3D-принтері. Його три шари тактильних датчиків, натхненні шарами людської шкіри, дозволяють йому захоплювати та розрізняти об'єкти різних форм та текстур поверхні, а не просто виявляти дотик. Кожен із його м'яких, наповнених повітрям суглобів пальців може керуватися м'язами передпліччя, а алгоритми машинного навчання фокусують сигнали від штучних тактильних рецепторів для створення реалістичного дотику, сказав Санкар.
«Сенсорна інформація від його пальців перекладається на мову нервів для забезпечення природного сенсорного зворотного зв'язку через електричну стимуляцію нервів», сказав Санкар.
У лабораторії рука ідентифікувала та маніпулювала 15 повсякденними предметами, включаючи ніжні м'які іграшки, губки для миття посуду та картонні коробки, а також ананаси, металеві пляшки з водою та інші міцніші предмети. В ході експериментів пристрій досяг найкращої продуктивності в порівнянні з альтернативами, успішно керуючи об'єктами з точністю 99,69% і при необхідності регулюючи захоплення, щоб запобігти невдачі. Найкращим прикладом було те, як він спритно підняв тонку, тендітну пластикову чашку, наповнену водою, використовуючи лише три пальці, не пошкодивши її.
"Ми об'єднуємо сильні сторони як жорсткої, так і м'якої робототехніки, щоб імітувати людську руку", - сказав Санкар. «Людська рука не повністю жорстка чи чисто м'яка – це гібридна система, в якій кістки, м'які суглоби та тканини працюють разом. Саме цього ми хочемо досягти від нашої протезної руки. Це нова територія для робототехніки та протезування, які раніше не повністю прийняли цю гібридну технологію. Це можливість міцно потиснути руку або підняти м'який предмет, не побоюючись роздавити його».
Щоб допомогти людям з ампутованими кінцівками відновити здатність відчувати предмети під час хапання, протезам знадобляться три ключові компоненти: датчики для визначення навколишнього середовища, система для перетворення цих даних у нейроподібні сигнали та спосіб стимуляції нервів, щоб людина могла відчувати відчуття, сказав Нітіш Такор, професор біомедичної інженерії Університету.
Біотехнологія дозволяє руці функціонувати таким чином, використовуючи м'язові сигнали від передпліччя, як більшість протезів руки. Ці сигнали з'єднують мозок і нерви, дозволяючи руці згинатися, розгинатися чи реагувати з урахуванням її дотику. Результатом є роботизована рука, яка інтуїтивно «знає», чого торкається, як це робить нервова система, сказав Такор.
«Якщо ви тримаєте чашку кави, як ви дізнаєтеся, що збираєтеся її впустити? Ваша долоня та кінчики пальців посилають сигнали у ваш мозок про те, що чашка вислизає», - сказав Такор. «Наша система натхненна нейронами — вона моделює тактильні рецептори руки для створення нейроподібних повідомлень, щоб "мозок" протезу або його комп'ютер розумів, що щось гаряче чи холодне, м'яке чи тверде, чи вислизає із захоплення».
Хоча дослідження є раннім проривом у галузі гібридної робототехнічної технології, яка може перетворити як протезування, так і робототехніку, необхідно більше роботи для вдосконалення системи, сказав Такор. Майбутні вдосконалення можуть включати сильніші сили захоплення, додаткові датчики та промислові матеріали.
"Ця гібридна спритність не просто необхідна для протезів наступного покоління", - сказав Такор. «Це те, що потрібно роботизованим рукам майбутнього, тому що вони не просто працюватимуть з великими, важкими предметами. Їм потрібно буде працювати з делікатними матеріалами, такими як скло, тканина чи м'які іграшки. Ось чому гібридний робот, спроєктований як людська рука, такий цінний — він поєднує у собі м'які та жорсткі структури, як наша шкіра, тканини та кістки».
