Geavanceerde prothetische hand imiteert menselijke aanraking in doorbraak in robotica

Een recente doorbraak in robotica kan geamputeerden helpen om een ​​deel van hun verloren capaciteiten terug te krijgen. Het nieuwe prothetische handontwerp combineert lagen sensoren met een hybride robotstructuur en een machine learning-algoritme dat neuromorfisch gecodeerde signalen leest om menselijke capaciteiten te bereiken. Dit is wat u moet weten.

De wetenschap van het grijpen

Wanneer je naar beneden reikt en iets oppakt, lijkt het misschien alsof het automatisch gebeurt. De realiteit is dat deze simpele handeling, die op niets lijkt, een complexe interactie is tussen miljoenen mechanoreceptoren in de huid, je zachte weefsel, botten, gewrichten en hersenen.

Je hand heeft vier primaire tactiele mechanoreceptoren genaamd Merkelcellen, Meissner-lichaampjes, Ruffini-uiteinden en Paciniaanse lichaampjes. De buitenste laag van je huid heeft Merkelcellen die zijn ontworpen om te reageren op lichte aanraking.

Vervolgens detecteren de Meissner-lichaampjes lage frequenties. Gevolgd door de Ruffini-uiteinden die vervorming op oppervlakken bepalen. De laatste laag, Paciniaanse lichaampjes, detecteert druk en hoogfrequente trillingen.

Het is deze mix van sensoren, botten en weefsel die mensen in staat stelt om gemakkelijk en snel verschillende en complexe oppervlakken te voelen. Met name deze structuur stelt je in staat om een ​​ei op te pakken zonder het te breken of om te merken dat de papieren beker met warme chocolademelk die je bij de automaat hebt besteld, begint te glijden.

Problemen met het repliceren van menselijke grepen

Er zijn veel pogingen gedaan om robotachtige handen te creëren met dezelfde veelzijdigheid als menselijke ledematen. Echter, alle pogingen zijn tot nu toe om verschillende redenen tekortgeschoten. Echter, de pogingen die de beste resultaten hebben opgeleverd, hebben gebruikgemaakt van zachte robotica.

Zachte robots verschillen van traditionele robotica doordat ze geen harde structuur hebben. Deze apparaten worden steeds vaker gebruikt voor uiteenlopende taken, waaronder rampenbestrijding en het verkennen van mineralen, waarbij hun niet-conforme ontwerp hen in staat stelt om van vorm te veranderen om door krappe ruimtes te passen. Helaas is het dit gebrek aan stijfheid dat er ook voor heeft gezorgd dat zachte robots niet in staat zijn om menselijke ledematen te repliceren.

Ten eerste belemmert elke sensor die u toevoegt aan een flexibele zachte robot zijn primaire vermogen, flexibiliteit. Bovendien kunnen de meeste van deze systemen alleen voelen dat er aanraking heeft plaatsgevonden. Deze aanpak is een groot verschil met de enorme hoeveelheid sensorische data die uw hersenen verwerken telkens wanneer u een item aanraakt.

Details van de studie

In erkenning van deze beperkingen publiceerde een groep wetenschappers van de Florida Atlantic University en andere vooraanstaande instituten de studie “Een natuurlijke biomimetische prothetische hand met neuromorfische tactiele detectie voor nauwkeurig en soepel grijpen"¹ in Science Advances. Het artikel onderzoekt een nieuw hybride prothetisch handontwerp dat gebruikmaakt van zachte robotgewrichten, een stijf endoskelet en een gelaagd sensorsysteem.

Handontwerp

De ingenieurs creëerden een nieuw handontwerp dat menselijke handen nabootst. Het multi-vingersysteem gebruikt rubberachtige polymeren voor de creatie van de vingers en de opponeerbare duim. Het ontwerp maakt gebruik van zachte, met lucht gevulde vingergewrichten die worden aangestuurd door de spieren van de onderarm via elektromyografie. Deze aanpak stelt de drager in staat om het te besturen zoals hun echte hand.

Bron – Science Advances

Hybride biomimetische vinger

Het hybride biometrische vingerontwerp integreert drie onafhankelijk aangestuurde zachte robotgewrichten. Deze gewrichten zijn gemaakt van Dragon Skin 10 siliconen om menselijke huid te simuleren. De vingers hebben 14 onafhankelijk aangestuurde gewrichten die zijn gesplitst zoals uw hand, met 3 in elke vinger en twee in de duim.

De wetenschapper koos ervoor om pneumatische netwerken te gebruiken om de hybride vingergewrichten te bedienen. Specifiek, de actuatoren brengen lucht onder druk, waardoor ze worden opgeblazen en dienovereenkomstig bewegen. Deze strategie elimineert de noodzaak voor extra motoren en actuatoren, wat kosten en gewicht bespaart.

De mensachtige configuratie van de zachte actuatoren met het rigide endoskelet levert meer kracht dan een traditionele zachte robotoptie. Als zodanig bepaalden ze dat de onder druk staande actuatoren directe krachtoverdracht naar het gemanipuleerde object leveren op een manier die het mogelijk maakt om precieze druk op specifieke gebieden te leveren om het object te manipuleren zonder schade.

Prothetische handvingertop

De zachte siliconen vingertop heeft een reeks meerlaagse tactiele sensoren waarmee hij druk en hoge frequenties kan detecteren. Het is het meest gevoelige deel van de hand en is verbonden met andere sensoren om een ​​diepgaande interpretatie te geven van de omgeving en het object dat moet worden gemanipuleerd. Net als jij kan de robot zijn vingertop over een oppervlak laten gaan om veel kenmerken te bepalen over de samenstelling van een item en hoe het moet worden gehanteerd.

Skelet

De kern van deze aanpak is het geloof dat een hybride ontwerp een rigide 3D-geprinte rigide endoskeletstructuur omvat. Het skelet dat door ingenieurs wordt gebruikt, is ontwikkeld met behulp van polymelkzuur (PLA). Het biedt stabiliteit, krachtvermenigvuldiging en ondersteuning voor de kerncomponenten van de hand.

Sensoren

De wetenschappers ontdekten dat ze slechts drie lagen tactiele sensoren hoefden te repliceren om bijna menselijke prestaties te bereiken. Hun lay-out biedt betrouwbare tactiele feedback in realtime aan het systeem, waardoor het complexe beslissingen kan nemen om de samenstelling, benodigde kracht en aanpak te bepalen om items succesvol te manipuleren.

Buitenste laag: De buitenste sensorlaag is ontworpen om te werken als uw opperhuid. Uw huid kan de geringste aanraking waarnemen. Om deze taak te volbrengen, integreerde het team een ​​buitenste piëzoresistieve sensorlaag op het oppervlak van de hybride vingertop. Deze laag integreert negen tactiele sensoren. Elke sensor heeft een totale grootte van slechts 4 mm2 en is 2.5 mm uit elkaar geplaatst, wat zorgt voor volledige dekking van de vingertop.

Middelste laag: Het middelste sensorgebied is gebouwd om te functioneren als de Ruffini-uiteinden in uw lichaam. Om deze taak te volbrengen, heeft het team een ​​piëzoresistieve sensorlaag ingebouwd. Opvallend is dat piëzoresistieve sensoren de elektrische weerstand veranderen wanneer er een externe kracht op wordt uitgeoefend.

Interessant genoeg heeft deze laag zes sensoren die 6 mm2 meten. Het team plaatste deze sensoren op een afstand van 2.5 mm van elkaar en plaatste ze op een offset manier ten opzichte van de buitenste sensorlaag om de tactische ontvangstmogelijkheden te verbeteren.

Binnenste laag: De ingenieurs ontwierpen de binnenste laag van de hand om te functioneren als Paciniaanse bloedlichaampjes, die hoogfrequente trillingen en tijdelijke druk uit de omgeving detecteren. Het werd geconstrueerd met behulp van een 10 mm piëzo-elektrische transducer die aan de vingernagel is bevestigd. Het zit specifiek tussen de zachte en stijve componenten van de hybride vingertop.

Wanneer er krachten worden gedetecteerd, genereert het een kleine spanning waarmee het systeem aanpassingen kan maken en de beste manier kan bepalen om het object te manipuleren. Daarnaast gebruikte het de stijve vingernagel om trillingen in oppervlakken op te pikken.

Algoritmen voor machine learning

Al deze data wordt ingevoerd in een ML-algoritme dat de data verzamelt, verwerkt en neuromorfisch codeert voordat het teruggestuurd wordt naar het robotaanhangsel. Het systeem kan neuromorfische responsen gebruiken in relatie tot zijn eigen machine learning-algoritme om textuur te classificeren.

Interessant genoeg codeert het systeem neuromorfisch gegevens ten opzichte van de mechanoreceptoren in de menselijke huid met behulp van het Izhikevich neuronmodelframework. Deze strategie stelt de unit in staat om naturalistische tactiele sensorische informatie te verstrekken via zenuwstimulatie, wat een primeur is voor hybride robotica.

De robothand weet wat hij aanraakt

Deze strategie stelt de robotarm in staat om te bepalen wat hij aanraakt. De signalen verbinden de hersenen en zenuwen, waardoor een drager objecten van verschillende vormen en oppervlaktetexturen gemakkelijk kan onderscheiden.

Prothetische handtesten

Het testen van de prothetische hand begon met individuele vingers. Elke vinger werd getest en elke sensorische laag werd geëvalueerd. Nadat het team had vastgesteld dat alle apparaten onafhankelijk werkten zoals gepland, werden ze gecombineerd en begon de volgende testfase.

Als onderdeel van deze testfase van het onderzoek bevestigden de ingenieurs de hand aan de UR5-robotarm. Vanaf daar begon het team te proberen items te manipuleren. In totaal werden 15 alledaagse items geselecteerd. De geteste items varieerden van ananassen, metalen waterflessen en zacht speelgoed tot een papieren beker vol water.

Resultaten en waarnemingen

De testresultaten lieten een echte belofte zien voor deze technologie. De tests gaven enig inzicht in de mogelijkheden ervan. Qua flexibiliteit bereikte de hybride biomimetische vinger 127° kromming en een 230° flexiehoek zonder punten van falen.

Bovendien toonde de robotarm veelzijdigheid en kon hij zijn grip on the fly aanpassen. In één geval gebruikte hij slechts 3 vingers om een ​​papieren beker vast te pakken om te voorkomen dat deze zou buigen en het water zou morsen. Indrukwekkend genoeg classificeerden de sensoren van de robotarm items op basis van aanraking met een nauwkeurigheid van 98.38%. Dit percentage overtrof zowel zachte robot- als stijve prothetische vingers, en leverde een nauwkeurigheid die vergelijkbaar was met die van mensen.

Voordelen van de bevindingen

De voordelen die deze studie voor de markt oplevert, kunnen robotica ten goede veranderen. De hier gedemonstreerde hybride technologie kan helpen de veiligheid te verbeteren in omgevingen waar robots en werknemers naast elkaar werken. Stel je voor dat je tegen je robotcollega aanbotst en dat hij wegloopt en zijn excuses aanbiedt.

Verhoogde behendigheid

De verbeterde prothetische arm toonde een hoge behendigheid vergeleken met voorgangers. Hij kon taken uitvoeren die zowel zachte als rigide robots niet konden. In een voorbeeld kreeg hij de taak om een ​​bal vast te pakken door zich eromheen te conformeren. Hij volbracht deze taak, wat onmogelijk zou zijn voor een rigide prothese.

Meer natuurlijk

Een ander groot voordeel van deze stijl van prothese is dat het natuurlijker aanvoelt voor de patiënt. Mensen die lijden aan verlies van een bovenste ledemaat kunnen het gevoel hebben dat ze niet meer kunnen integreren in hun normale taken vanwege de angst dat hun prothese schade of letsel veroorzaakt. Deze techniek belooft hen in staat te stellen om veilig met hun geliefden om te gaan zonder zich zorgen te maken dat ze hen pijn doen.

Onderzoekers naar prothetische handstudie

De prothetische handstudie werd geleid door Wen-Yu Cheng van Florida Atlantic University. Andere onderzoekers die aan het project hebben bijgedragen zijn Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen en Arnav Gupta van de University of Illinois Chicago.

Interessant genoeg was ditzelfde team in 2018 de eerste die elektronische huid introduceerde in de roboticasector. Nu hebben ze deze technologie verder uitgebouwd om capabele protheses te creëren die menselijke prestaties leveren. Hun plannen omvatten het verder ontwikkelen van hun systemen door meer sensoren, betere materialen en een grotere grijpkracht te integreren.

Toepassingen in de echte wereld en tijdlijn voor prothetische handtechnologie

Deze vooruitgang biedt grote beloften voor mensen met een verlies van de bovenste ledematen, omdat ze de mogelijkheid krijgen om natuurlijker en veiliger met hun omgeving om te gaan. Toekomstige protheses kunnen deze technologie integreren en levensechte reacties bieden. Dezelfde technologie kan ook helpen om chirurgische robots te verbeteren.

Hoewel dergelijke prothesetechnologieën zich momenteel nog in de onderzoeksfase bevinden, kunnen ze binnen de komende 5 tot 10 jaar commercieel beschikbaar komen, afhankelijk van verdere ontwikkelingen en wettelijke goedkeuringen. Hier zijn een paar andere praktische toepassingen voor deze zachte robotische gip-technologie.

Industrieel

De industriële sector heeft de afgelopen 5 jaar een sterke verschuiving naar robotica gezien. Deze nieuwste technologie zou de adoptie verder kunnen stimuleren. Fabrikanten zijn voortdurend op zoek naar manieren om robotica te integreren met menselijke werknemers om de efficiëntie te verbeteren zonder kwaliteitsverlies.

Hybride robotfuncties zoals die besproken in deze studie zouden samen met mensen kunnen werken met minder risico. Ze zouden ook traditioneel menselijke taken kunnen uitvoeren, zoals het sorteren van kwetsbaar fruit of producten zoals glaswerk, zonder schade te veroorzaken.

agrarisch

Landbouw is een ander gebied waar robots een thuis hebben gevonden. Deze apparaten kunnen helpen de oogst te verbeteren door de gezondheid van het gewas te monitoren via sensoren en ervoor te zorgen dat de rijpe gewassen op tijd worden geplukt. In de toekomst kunnen zachte robots een groot deel van het landbouwproces afhandelen, van het planten tot het plukken tot het sorteren van goede en slechte gewassen.

Een innovatief bedrijf dat de robotica-industrie leidt

De roboticasector blijft bloeien naarmate er meer bedrijven en technologieën bijkomen. De toekomst van robotica ziet er rooskleurig uit en verschillende bedrijven hebben een sterke positie in de markt veiliggesteld. Deze bedrijven hebben miljarden gestoken in onderzoek en ontwikkeling van wendbaardere, capabelere en duurzamere robots. Hier is een bedrijf dat pioniert op het gebied van robotica.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. (EKSO -0.88%) betrad de markt in 2005, met als doel het veld van exoskelettechnologie en robotische revalidatieapparaten te verbeteren. Sinds de lancering heeft het bedrijf talloze hoogwaardige contracten binnengehaald, gericht op de verdere ontwikkeling van zijn exoskeletproducten.

Exoskeletten zijn robots die door mensen worden gedragen. Hun ontwerp is bedoeld om uw bewegingen aan te vullen en te verbeteren. Als zodanig kunnen ze worden gebruikt in fabrieken om vermoeidheid te voorkomen of op een slagveld om soldaten meer draagvermogen te geven.

Ekso Holdings biedt verschillende innovatieve oplossingen die zijn ontworpen om de kwaliteit van leven van patiënten die lijden aan het verlies van ledematen te verbeteren. Deze producten, samen met de positionering en marktgeschiedenis, maken Ekso Bionics Holdings een slimme toevoeging aan uw portfolio.

Laatste nieuws over Ekso Bionics Holdings

Prothetische handstudie en de toekomst van hybride robotica

Deze studie laat zien hoe de natuur wellicht al de beste oplossing heeft gevonden voor veel ontwerpproblemen. Naarmate meer ingenieurs de natuur proberen na te bootsen, zullen hun robotontwerpen een nieuw tijdperk van efficiëntie inluiden. Deze technologie kan helpen ervoor te zorgen dat robots veilig naast mensen kunnen werken en aanvullende diensten kunnen leveren die zowel het leven van de werknemers als de geleverde producten verbeteren.

Ontdek meer over andere coole doorbraken in de robotica Here.

Geraadpleegde studies:

^{1. Sankar, S., Cheng, W.-Y., Zhang, J., Slepyan, A., Iskarous, MM, Greene, RJ, DeBrabander, R., Chen, J., Gupta, A., & Thakor, NV (2025). Een natuurlijke biomimetische prothetische hand met neuromorfische tactiele detectie voor nauwkeurig en soepel grijpen. Wetenschappelijke vooruitgang, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}