Mão robótica inflável que dá aos amputados controle tátil em tempo real

Resumo: Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova mão robótica leve que fornece feedback tátil e é hábil o suficiente para realizar tarefas como fechar uma mala e servir suco.

Fonte: COM

Para as mais de 5 milhões de pessoas no mundo que sofreram amputações de membros superiores, as próteses já percorreram um longo caminho. Além dos apêndices tradicionais em forma de manequim, há um número crescente de neuroprostéticos comerciais – membros biônicos altamente articulados, projetados para detectar os sinais musculares residuais do usuário e imitar roboticamente seus movimentos pretendidos.

Mas essa destreza de alta tecnologia tem um preço. A neuroprostética pode custar dezenas de milhares de dólares e é construída em torno de esqueletos de metal, com motores elétricos que podem ser pesados ​​e rígidos.

Agora, os engenheiros do MIT e da Shanghai Jiao Tong University projetaram uma mão neuroprotética macia, leve e potencialmente de baixo custo. Amputados que testaram o membro artificial realizavam atividades diárias, como fechar uma mala, despejar uma caixa de suco e acariciar um gato, tão bem quanto – e em alguns casos até melhor do que – aqueles com neuroprostéticos mais rígidos.

Os pesquisadores descobriram que a prótese, projetada com um sistema de feedback tátil, restaurou algumas sensações primitivas no membro residual de um voluntário. O novo design também é surpreendentemente durável, recuperando-se rapidamente após ser atingido por um martelo ou atropelado por um carro.

A mão inteligente é macia e elástica e pesa cerca de meio quilo. Seus componentes totalizam cerca de US $ 500 – uma fração do peso e custo do material associados a membros inteligentes mais rígidos.

“Ainda não é um produto, mas o desempenho já é semelhante ou superior aos neuropróteses existentes, o que nos entusiasma”, afirma Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e de engenharia civil e ambiental do MIT. “Há um enorme potencial para fazer essa prótese macia de custo muito baixo, para famílias de baixa renda que sofreram amputação.”

Zhao e seus colegas publicaram seu trabalho hoje em Nature Biomedical Engineering. Os co-autores incluem Shaoting Lin, pós-doutorado do MIT, juntamente com Guoying Gu, Xiangyang Zhu e colaboradores da Universidade Shanghai Jiao Tong, na China.

Crédito: MIT

Mão do grande herói

O novo design flexível da equipe tem uma semelhança incrível com um certo robô inflável do filme de animação “Big Hero 6”. Como o androide mole, a mão artificial da equipe é feita de um material macio e elástico – neste caso, o elastômero comercial EcoFlex. A prótese compreende cinco dedos em forma de balão, cada um com segmentos de fibra embutidos, semelhantes aos ossos articulados dos dedos reais. Os dígitos flexíveis são conectados a uma “palma” impressa em 3D, com o formato de uma mão humana.

Em vez de controlar cada dedo usando motores elétricos montados, como a maioria dos neuroprostéticos, os pesquisadores usaram um sistema pneumático simples para inflar os dedos com precisão e dobrá-los em posições específicas. Este sistema, incluindo uma pequena bomba e válvulas, pode ser usado na cintura, reduzindo significativamente o peso da prótese.

Lin desenvolveu um modelo de computador para relacionar a posição desejada de um dedo à pressão correspondente que uma bomba teria de aplicar para atingir essa posição. Usando esse modelo, a equipe desenvolveu um controlador que direciona o sistema pneumático para inflar os dedos, em posições que imitam cinco pegadas comuns, incluindo apertar dois e três dedos juntos, fazer um punho cerrado e segurar a palma da mão.

O sistema pneumático recebe sinais de sensores EMG – sensores de eletromiografia que medem os sinais elétricos gerados pelos neurônios motores para controlar os músculos. Os sensores são colocados na abertura da prótese, onde ela se fixa ao membro do usuário. Nesse arranjo, os sensores podem captar sinais de um membro residual, como quando um amputado se imagina fechando o punho.

A equipe então usou um algoritmo existente que “decodifica” sinais musculares e os relaciona a tipos comuns de preensão. Eles usaram esse algoritmo para programar o controlador para seu sistema pneumático. Quando um amputado se imagina, por exemplo, segurando uma taça de vinho, os sensores captam os sinais musculares residuais, que o controlador então traduz em pressões correspondentes. A bomba então aplica essas pressões para inflar cada dedo e produzir o aperto pretendido do amputado.

Isso mostra uma pessoa usando a mão, segurando um bolo
Os pesquisadores descobriram que a prótese, projetada com um sistema de feedback tátil, restaurou algumas sensações primitivas no membro residual de um voluntário. O novo design também é surpreendentemente durável, recuperando-se rapidamente após ser atingido por um martelo ou atropelado por um carro. Crédito: The Researchers

Dando um passo adiante em seu projeto, os pesquisadores procuraram permitir feedback tátil – um recurso que não é incorporado na maioria dos neuroprostéticos comerciais. Para fazer isso, eles costuraram na ponta de cada dedo um sensor de pressão, que ao ser tocado ou pressionado produz um sinal elétrico proporcional à pressão detectada. Cada sensor é conectado a um local específico no membro residual de um amputado, para que o usuário possa “sentir” quando o polegar da prótese é pressionado, por exemplo, em comparação com o dedo indicador.

Boa aderência

Para testar a mão inflável, os pesquisadores recrutaram dois voluntários, cada um com amputações de membros superiores. Uma vez equipados com o neuroprosthetic, os voluntários aprenderam a usá-lo contraindo repetidamente os músculos de seus braços enquanto imaginavam fazer cinco pegadas comuns.

Após completar este treinamento de 15 minutos, os voluntários foram solicitados a realizar uma série de testes padronizados para demonstrar a força e destreza manual. Essas tarefas incluíam empilhar damas, virar páginas, escrever com uma caneta, levantar bolas pesadas e pegar objetos frágeis como morangos e pão. Eles repetiram os mesmos testes usando uma mão biônica mais rígida, disponível comercialmente, e descobriram que a prótese inflável era tão boa, ou até melhor, na maioria das tarefas, em comparação com sua contraparte rígida.

Um voluntário também foi capaz de usar intuitivamente a prótese mole nas atividades diárias, por exemplo, para comer alimentos como biscoitos, bolo e maçãs, e para manusear objetos e ferramentas, como laptops, garrafas, martelos e alicates. Esse voluntário também podia manipular com segurança a prótese fofa, por exemplo, apertar a mão de alguém, tocar uma flor e acariciar um gato.

Em um exercício particularmente emocionante, os pesquisadores vendaram os olhos do voluntário e descobriram que ele podia discernir qual dedo protético eles cutucaram e escovaram. Ele também foi capaz de “sentir” frascos de tamanhos diferentes colocados na mão protética e ergueu-os em resposta. A equipe vê esses experimentos como um sinal promissor de que amputados podem recuperar uma forma de sensação e controle em tempo real com a mão inflável.

Veja também

Isso mostra a barriga de uma mulher

A equipe registrou uma patente sobre o design, por meio do MIT, e está trabalhando para melhorar sua detecção e amplitude de movimento.

“Agora temos quatro tipos de pega. Pode haver mais ”, diz Zhao. “Este design pode ser aprimorado, com melhor tecnologia de decodificação, matrizes mioelétricas de alta densidade e uma bomba mais compacta que pode ser usada no pulso. Também queremos personalizar o design para produção em massa, para que possamos traduzir a tecnologia robótica suave para beneficiar a sociedade. ”

Sobre estas notícias de pesquisa sobre robótica e neurotecnologia

Autor: Jennifer Chu
Fonte: COM
Contato: Jennifer Chu – MIT
Imagem: A imagem é creditada aos pesquisadores

Pesquisa original: Acesso fechado.
“Uma mão neuroprotética macia que fornece controle mioelétrico simultâneo e feedback tátil” por Guoying Gu, Ningbin Zhang, Haipeng Xu, Shaoting Lin, Yang Yu, Guohong Chai, Lisen Ge, Houle Yang, Qiwen Shao, Xinjun Sheng, Xiangyang Zhu e Xuanhe Zhao. Nature Biomedical Engineering


Resumo

Uma mão neuroprotética macia que fornece controle mioelétrico simultâneo e feedback tátil

As mãos neuroprostéticas são normalmente pesadas (mais de 400 g) e caras (mais de US $ 10.000), e não têm a conformidade e o feedback tátil das mãos humanas. Aqui, relatamos o projeto, a fabricação e o desempenho de uma mão neuroprotética macia, de baixo custo e leve (292 g) que fornece controle mioelétrico e feedback tátil simultâneos.

A neuroprótese tem seis graus de liberdade ativos sob atuação pneumática, pode ser controlada através da entrada de quatro sensores eletromiográficos que medem os sinais de superfície dos músculos residuais do antebraço e integra cinco sensores capacitivos elastoméricos nas pontas dos dedos para medir a pressão de toque de modo a permitir o feedback tátil induzindo estimulação elétrica na pele do membro residual.

Em um conjunto de testes padronizados realizados por dois indivíduos com amputações transradiais, mostramos que a mão neuroprotética macia supera a mão neuroprotética rígida convencional em velocidade e destreza.

Também mostramos que um indivíduo com amputação transradial usando a mão neuroprotética macia pode recuperar a sensação de toque primitivo e o controle de malha fechada em tempo real.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *