La peau électronique de cette main robotique sent exactement à quel point il a besoin de serrer

Nos mains sont des œuvres d’art. Un squelette rigide fournit une structure. Les muscles s’adaptent à différents poids. Notre peau, intégrée à des capteurs de toucher, de pression et de température, fournit une rétroaction immédiate sur ce que nous touchons. Les joints flexibles permettent de taper sur un clavier ou d’utiliser un contrôleur de jeu vidéo sans réflexion.

Maintenant, une équipe de l’Université Johns Hopkins a recréé ces avantages dans une vie main du robot prothétique. À son cœur se trouve un squelette imprimé en 3D. Chaque doigt a trois joints contrôlés indépendamment en silicone qui sont déplacés avec la pression de l’air. Une peau électronique à trois couches couvrant les doigts de la main l’aide à évaluer la force de l’adhérence à la volée. La main est contrôlée à l’aide de signaux électriques des muscles de l’avant-bras seul.

Dans les tests, les bénévoles valides ont utilisé la main pour ramasser des jouets en peluche et des éponges à vaisselle sans compression excessive. Il a ajusté sa prise en charge lorsqu’il est mis au défi avec des bouteilles d’eau en métal lourd et des ananas épineux – en ramassant des articles sans les laisser tomber ni endommager la main.

« L’objectif depuis le début a été de créer une main prothétique que nous modélisons en fonction des capacités physiques et de détection de la main humaine – une prothèse plus naturelle qui fonctionne et se sent comme un membre perdu », l’auteur de l’étude Sriramana Sankar dit dans un communiqué de presse.

Adoucissement

Mains prothétiques avoir faire un long chemin. L’un des premiers, fabriqués en métal Au Moyen Âge, avait des articulations qui pouvaient être déplacées passivement à l’aide d’une autre main.

Aujourd’hui, la robotique douce a changé le jeu. Contrairement à un matériau rigide et impitoyable, les mains spongies peuvent gérer des objets délicats sans les déformer ou les écraser. Les capteurs intégrés pour la pression ou la température les rendent plus à la vie en fournissant une rétroaction sensorielle.

Mais les matériaux mous ont un problème. Ils ne peuvent pas régulièrement générer la même force pour ramasser des objets lourds. Même avec plusieurs articulations et un paume dynamiqueles mains robotiques squishy ont plus de mal à détecter différentes textures par rapport à leurs homologues rigides, a écrit l’équipe. Ils sont également faibles. Les mains robotiques douces existantes ne peuvent soulever que 2,8 livres.

En revanche, nos mains ont à la fois un squelette rigide et des tissus mous – muscles et tendons – qui s’étendent, tord et contracte. Les capteurs de pression dans notre peau fournissent une rétroaction instantanée: suis-je en train de serrer un jouet en peluche, de tenir une tasse de café glissante ou de manipuler mon téléphone?

C’est pourquoi les conceptions prothétiques récentes intègrent à la fois des squelettes artificiels et des muscles.

Par exemple, le commerce disponible Bras Luke A un squelette en métal et en plastique pour la résistance et la stabilité. Ses doigts ont des matériaux doux pour une meilleure dextérité. La prothèse peut saisir des objets en utilisant différentes entrées, par exemple, les signaux électriques des muscles ou un colporteur pour basculer entre les forces de saisie. Mais la main est encore principalement rigide et a une mobilité limitée. Le pouce et l’index peuvent se fléchir individuellement. Tous les autres doigts se déplacent ensemble.

Ensuite, il y a le problème des commentaires. Nos doigts utilisent le toucher pour calibrer notre emprise. Chacune des trois couches de la peau code pour des sensations légèrement différentes avec une variété de récepteurs ou des capteurs biologiques. La couche externe est une touche légère et une vibration lente, comme lorsque les cheveux brossent légèrement votre main. Les couches plus profondes détectent la pression: la texture et le poids d’un haltère lourd, par exemple.

En 2018, L’équipe derrière la nouvelle étude Développement de la peau électronique inspirée de la peau humaine. Le matériau, ou e-dermis, a senti des textures et les a transmis à des nerfs survivants dans le bras d’un amputé avec de petits zaps d’électricité. La peau a utilisé des capteurs piézorésives, de sorte que la pression changerait la façon dont les capteurs ont conduit de l’électricité. Les doigts prothétiques recouverts des capteurs ont permis à un amputé à membre supérieur de détecter une gamme de sensations, y compris la pression.

« Si vous tenez une tasse de café, comment savez-vous que vous êtes sur le point de le laisser tomber? Votre paume et vos doigts envoient des signaux à votre cerveau que la tasse glisse », a déclaré l’auteur d’étude Nitish Thakor dit Dans le communiqué de presse de l’étude récente. « Notre système est inspiré de neurally – il modélise les récepteurs tactiles de la main pour produire des messages nerveux afin que le« cerveau »des prothèses ou son ordinateur comprenne si quelque chose est chaud ou froid, doux ou dur, ou glisser de la poignée. »

Pratique

Le nouveau design a incorporé des e-dermis dans une main hybride conçue pour imiter une main humaine.

Le pouce a deux articulations en silicone et les doigts en ont trois. Chaque articulation peut fléchir indépendamment. Ceux-ci se connectent à un squelette rigide imprimé en 3D et sont déplacés par l’air.

Par rapport aux prothèses avec seulement des composants souples, le squelette ajoute de la force et peut supporter des poids plus lourds. Les doigts de la main prothétique sont couverts dans un patch d’e-terreur de la taille d’un ongle. Chaque doigt se penche naturellement, se recroquevillant dans la paume ou s’étendant.

Les signaux électriques des muscles de l’avant-bras d’un utilisateur contrôlent la main. Ces appareils, doublés prothèses myoélectriquesexploitez les terminaisons du nerf vivant au-dessus du site d’amputation. Lorsqu’une personne pense à déplacer la main, un microprocesseur traduit les signaux nerveux en commandes de moteur.

Plusieurs études avec des volontaires valides ont présenté la dextérité de la main. Les participants portaient une gaine au-dessus de leurs avant-bras pour capturer les signaux électriques dans leurs bras – en milieu utilisé pour les amputés – et pour les envoyer à la main robotique.

Avec une formation minimale, les volontaires pourraient saisir une variété d’objets de différentes tailles, poids et textures. La main a doucement ramassé une éponge, sans l’écraser dans l’oubli, et une variété de produits – appliquer, orange, clémentine – sans les meurtrir. La prothèse a montré qu’elle pouvait également soulever des objets plus lourds, comme une petite statue en pierre et une bouteille d’eau métallique.

Mais le meilleur exemple, selon les auteurs, était quand il tenait une fragile tasse en plastique remplie d’eau en utilisant seulement trois doigts. La main ne bordait pas la tasse ni ne renverse aucune eau.

Dans l’ensemble, il avait un taux de précision impressionnant de 99,7% en manipulant 15 éléments de tous les jours, ajustant rapidement son adhérence pour éviter les gouttes, les déversements et d’autres accidents potentiels.

Pour être clair, l’appareil n’a pas été testé sur des personnes qui ont perdu la main. Et il y a plus à améliorer. L’ajout d’une sorte de tendon entre les doigts artificiels pourrait les rendre plus stables. Imitant comment le Palm bouge pourrait encore stimuler la flexibilité. Et l’ajout de capteurs, tels que ceux de la température, pourrait pousser la main d’ingénierie encore plus près d’un humain.

L’amélioration de la dextérité des mains n’est pas seulement «essentielle pour les prothèses de nouvelle génération». dit Thakor. Les futures mains robotiques devront de manière transparente intégrer dans la vie quotidiennetraitant de toute la variété que nous faisons. « C’est pourquoi un robot hybride, conçu comme la main humaine, est si précieux – il combine des structures douces et rigides, tout comme notre peau, nos tissus et nos os. »