Avanceret protetisk hånd efterligner menneskelig berøring i robotikgennembrud

Et nyligt gennembrud inden for robotik kan hjælpe amputee-patienter med at genvinde nogle af deres mistede evner. Det nye design af en protetisk hånd kombinerer lag af sensorer med en hybrid robotstruktur og en maskinlæringsalgoritme, der læser neuromorforisk kodede signaler for at opnå menneskelignende evner. Her er, hvad du behøver at vide.

Videnskaben om Greb

Når du bøjer dig ned og plukker noget op, kan det synes at ske automatisk. Realiteten er, at denne simple handling, som virker som ingenting, er en kompleks interaktion mellem millioner af hudmekanoreceptorer, dit bløde væv, knogler, led og hjerne.

Din hånd har fire primære taktile mekanoreceptorer kaldet Merkel-celler, Meissner-korpuskler, Ruffini-ender og Pacinian-korpuskler. Det ydre lag af din hud har Merkel-celler, som er designet til at reagere på let berøring.

Derefter registrerer Meissner-korpuskler lave frekvenser. Efterfulgt af Ruffini-ender, som bestemmer deformation på overflader. Det sidste lag, Pacinian-korpuskler, opdager tryk og højfrekvente vibrationer.

Det er denne blanding af sensorer, knogler og væv, der gør det muligt for mennesker at nemt og hurtigt fornemme forskellige og komplekse overflader. Bemærkelsesværdigt gør denne struktur det muligt at løfte et æg uden at knække det eller at bemærke, at papkoppen med varm kakao, du bestilte fra automaten, begynder at glide.

Problemer med at efterligne menneskelige greb

Der har været mange forsøg på at skabe robotarme med samme alsidighed som menneskelige lemmer. Dog har alle indtil nu fejlet af flere grunde. De forsøg, der har opnået de bedste resultater, har benyttet blød robotik.

Bløde robotter adskiller sig fra traditionel robotik ved, at de mangler en hård struktur. Disse enheder har set øget brug i en række opgaver, herunder katastrofehjælp og mineraludforskning, hvor deres ikke-konforme design gør dem i stand til at ændre form for at passe gennem trange rum. Desværre er det netop denne mangel på stivhed, der også har gjort, at bløde robotter ikke kan efterligne menneskelige lemmer.

For det første forringer hver sensor, du tilføjer til en fleksibel blød robot, dens primære evne, fleksibilitet. Desuden er de fleste af disse systemer kun i stand til at registrere, at berøring har fundet sted. Denne tilgang er langt fra den enorme mængde sensorisk data, din hjerne behandler hver gang du rører ved et objekt.

Detaljer om undersøgelsen

Ved at erkende disse begrænsninger offentliggjorde en gruppe forskere fra Florida Atlantic University og andre førende institutioner undersøgelsen “En naturlig biomimetisk protetisk hånd med neuromorfisk taktil sensing for præcis og eftergivende greb“¹ i Science Advances. Artiklen undersøger et nyt hybridt design af en protetisk hånd, der udnytter bløde robotled, en stiv endoskelet og et lagdelt sensorsystem.

Hånddesign

Ingeniørerne skabte et nyt hånddesign, der efterligner menneskehænder. Det fler-finger system bruger gummilignende polymerer til fremstilling af fingrene og en modsatgående tommel. Designet udnytter bløde, luftfyldte fingerled, der aktiveres med underarmens muskler via elektromyografi. Denne tilgang gør det muligt for brugeren at styre den som deres rigtige hånd.

Kilde – Science Advances

Hybrid biomimetisk finger

Det hybride biometriske fingerdesign integrerer tre uafhængigt aktiverede bløde robotled. Disse led er lavet af Dragon Skin 10 silikone for at efterligne menneskelig hud. Fingrene har 14 uafhængigt aktiverende led, fordelt som din hånd, med 3 i hver hovedfinger og to i tommelfingeren.

Forskeren valgte at anvende pneumatiske netværk til at drive de hybride fingerled. Specifikt trykker aktuatorerne luft ind, som oppuster dem, så de bevæger sig i overensstemmelse hermed. Denne strategi fjerner behovet for ekstra motorer og aktuatorer, hvilket reducerer omkostninger og vægt.

Den menneskelignende konfiguration af de bløde aktuatorer med den stive endoskelet giver mere kraft end en traditionel blød robotløsning. Derfor fastslog de, at de trykfyldte aktuatorer leverer direkte kraftoverførsel til det manipulerede objekt på en måde, der gør det muligt at give præcist tryk på specifikke områder for at manipulere objektet uden skade.

Protetisk håndspids

Den bløde silikone spids har et array af lagdelte taktile sensorer, der gør den i stand til at mærke tryk og høj frekvens. Det er den mest følsomme del af hånden og er forbundet til andre sensorer for at give en dybdegående fortolkning af miljøet og objektet, der skal manipuleres. Ligesom du kan robotten føre sin spids over en overflade for at bestemme mange egenskaber ved et objekts sammensætning og hvordan det skal håndteres.

Skelet

Kernen i denne tilgang er troen på, at et hybridt design indeholder en stiv 3D-printet endoskeletstruktur. Skeletet, som ingeniørerne brugte, blev udviklet ved hjælp af polylaktisk syre (PLA). Det giver stabilitet, kraftmultiplikation og støtte til håndens kernekomponenter.

Sensorer

Forskere fandt ud af, at de kun behøvede at efterligne tre lag af taktile sensorer for at opnå næsten menneskelig ydeevne. Deres layout giver pålidelig taktil feedback i realtid til systemet, så det kan træffe komplekse beslutninger om sammensætning, nødvendigt tryk og tilgang for at manipulere genstande med succes.

Ydre lag: Det ydre sensorlag blev designet til at fungere som din epidermis. Din hud kan mærke den mindste berøring. For at opnå dette integrerede holdet et ydre piezoresistivt sensorslag på overfladen af den hybride spids. Dette lag indeholder ni taktile sensorer. Hver sensor har kun en samlet størrelse på 4 mm² og er placeret 2,5 mm fra hinanden, hvilket giver fuld dækning af spidsen.

Mellem lag: Det midterste sensorsområde blev bygget til at fungere som Ruffini-enderne i din krop. For at opnå dette indlejrede holdet et piezoresistivt sensorslag. Bemærkelsesværdigt ændrer piezoresistive sensorer elektrisk modstand, når en ekstern kraft påføres dem.

Interessant nok har dette lag seks sensorer, der måler 6 mm². Holdet placerede disse sensorer 2,5 mm fra hinanden og satte dem i en forskudt position i forhold til det ydre sensorslag for at forbedre taktile modtagelsesmuligheder.

Indre lag: Ingeniørerne designede det indre lag af hånden til at fungere som Pacinian-korpuskler, der registrerer højfrekvente vibrationer og kortvarigt tryk fra miljøet. Det blev konstrueret ved hjælp af en 10 mm piezoelektrisk transducer, der er fastgjort til neglen. Specifikt sidder den mellem de bløde og stive komponenter i den hybride spids.

Når kræfter registreres, genererer den en lille spænding, som gør det muligt for systemet at foretage justeringer og bestemme den bedste måde at manipulere objektet på. Derudover udnyttede den den stive negle til at opfange vibrationer i overflader.

Maskinlæringsalgoritmer

Alle disse data føres ind i en ML-algoritme, der indsamler, behandler og neuromorforisk koder dataene, inden de sendes tilbage til den robotiske vedhæng. Systemet kan udnytte neuromorforiske svar i forhold til sin proprietære maskinlæringsalgoritme til at klassificere tekstur.
Interessant nok koder systemet data neuromorforisk i forhold til mekanoreceptorerne i menneskelig hud ved brug af Izhikevich-neuronmodellen. Denne strategi gør det muligt for enheden at levere naturlig taktil sensorisk information gennem nervestimulering, hvilket er en første gang for hybrid robotik.

Robotarmen ved, hvad den rører ved

Denne strategi gør det muligt for robotarmen at bestemme, hvad den rører ved. Signalerne forbinder hjernen og nerverne, så brugeren nemt kan skelne mellem objekter med forskellige former og overfladeteksturer.

Test af protetisk hånd

Testning af den protetiske hånd begyndte med individuelle fingre. Hver finger blev testet, og hvert sensorlag gennemgik evaluering. Da holdet fastslog, at alle enheder fungerede uafhængigt som planlagt, blev de kombineret, og næste testfase begyndte.
Som en del af denne testfase fastgjorde ingeniørerne hånden til UR5-robotarmen. Derfra begyndte holdet at forsøge at manipulere genstande. I alt blev 15 hverdagsgenstande udvalgt. De testede genstande spænder fra ananas, metal vandflasker og bløde legetøj til en papkop fyldt med vand.

Resultater og observationer

Testresultaterne viste stort løftepotentiale for denne teknologi. Testen gav indblik i dens kapaciteter. Med hensyn til fleksibilitet opnåede den hybride biomimetiske finger en krumning på 127° og en bøjning på 230° uden fejlpunkter.
Derudover viste robotarmen alsidighed og var i stand til at justere sit greb løbende. I et tilfælde brugte den kun 3 fingre til at gribe en papkop for at undgå at bøje den og spilde vandet. Imponerende klassificerede robotarmens sensorer genstande baseret på berøring med 98,38 % nøjagtighed. Denne sats oversteg både bløde robot- og stive protetiske fingre og leverede menneskelignende præcision.

Fordele ved resultaterne

De fordele, som denne undersøgelse bringer til markedet, kan ændre robotik til det bedre. Den hybride teknologi, der demonstreres her, kan hjælpe med at forbedre sikkerheden i miljøer, hvor robotter og medarbejdere arbejder side om side. Forestil dig at støde ind i din robotkollega, som så trækker sig tilbage og undskylder.

Øget fingerfærdighed

Den opgraderede protetiske arm viste høj fingerfærdighed sammenlignet med forgængere. Den kunne udføre opgaver, som hverken bløde eller stive robotter kunne. I et eksempel blev den bedt om at gribe en bold ved at tilpasse sig omkring den. Den gennemførte denne opgave, som ville være umulig for en stiv protetik.

Mere naturlig

En anden stor fordel ved denne type protetik er, at den føles mere naturlig for patienten. Personer, der lider af tab af en øvre lem, kan føle, at de ikke kan genintegrere sig i deres normale opgaver på grund af frygt for, at deres protetik kan forårsage skade eller skade. Denne teknologi lover at give dem mulighed for sikkert at interagere med deres kære uden bekymring for at skade dem.

Forskerne bag studiet af protetisk hånd

Studiet af den protetiske hånd blev ledet af Wen-Yu Cheng fra Florida Atlantic University. Andre forskere, der bidrog til projektet, inkluderer Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen og Arnav Gupta fra University of Illinois Chicago.
Interessant nok var dette samme team de første, der introducerede elektronisk hud til robotiksektoren i 2018. Nu har de bygget videre på denne teknologi for at skabe kapable protetikker, der leverer menneskelig ydeevne. Deres planer omfatter at videreudvikle deres systemer ved at integrere flere sensorer, bedre materialer og øget grevkraft.

Virkelige anvendelser & tidslinje for protetisk håndteknologi

Denne fremskridt har betydeligt løftepotentiale for personer med tab af en øvre lem, idet den giver dem mulighed for at interagere med deres miljø mere naturligt og sikkert. Fremtidige protetikker kan integrere denne teknologi og levere livagtige reaktioner. Den samme teknologi kan også hjælpe med at forbedre kirurgiske robotter.
Selvom den i øjeblikket er i forskningsfasen, kan sådanne protetiske teknologier blive kommercielt tilgængelige inden for de næste 5 til 10 år, afhængigt af yderligere udvikling og regulatoriske godkendelser. Her er nogle andre virkelige anvendelser for denne bløde robotteknologi.

Industriel

Den industrielle sektor har oplevet et markant skift mod robotik i de sidste 5 år. Denne seneste teknologi kan hjælpe med at fremme adoptionen yderligere. Producenter søger konstant efter måder at integrere robotik med menneskelige arbejdere for at forbedre effektiviteten uden at miste kvalitet.
Den hybride robotfunktioner som dem, der diskuteres i denne undersøgelse, kan arbejde sammen med mennesker med mindre risiko. De kan også udføre traditionelt menneskelige opgaver som sortering af skrøbelig frugt eller produkter som glasvarer uden at forårsage skade.

Landbrug

Landbrug er et andet område, hvor robotter har fundet deres plads. Disse enheder kan hjælpe med at forbedre høsten ved at overvåge afgrøders sundhed via sensorer og sikre, at modne afgrøder plukkes rettidigt. I fremtiden kan bløde robotter håndtere en stor del af landbrugsprocessen, fra såning til høst til sortering af gode og dårlige afgrøder.

Et innovativt firma, der leder robotikindustrien

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. gik ind på markedet i 2005 med mål om at forbedre eksoskelet-teknologi og robotrehabiliteringsenheder. Siden lanceringen har virksomheden sikret adskillige højtstående kontrakter med fokus på videreudvikling af sine eksoskeletprodukter.

Eksoskeletter er robotter, der bæres af mennesker. Deres design er beregnet til at supplere og forbedre dine bevægelser. Som sådan kan de bruges i fabrikker for at hjælpe med at forebygge træthed eller på en slagmark for at give soldater større bærekapacitet.

Ekso Holdings tilbyder flere innovative løsninger, der er designet til at forbedre livskvaliteten for patienter, der lider af tab af lemmer. Disse produkter, sammen med deres positionering og markedshistorie, gør Ekso Bionics Holdings til et klogt tilføjelse til din portefølje.

Seneste om Ekso Bionics Holdings

Studie af protetisk hånd og fremtiden for hybrid robotik

Dette studie viser, hvordan naturen måske allerede har fundet den bedste løsning på mange designproblemer. Efterhånden som flere ingeniører søger at efterligne naturen, vil deres robotdesign indlede en ny æra af effektivitet. Denne teknologi kan hjælpe med at sikre, at robotter kan arbejde sikkert sammen med mennesker og levere yderligere tjenester, der forbedrer både arbejdernes liv og de leverede produkter.

Lær om andre spændende robotikgennembrud Her.

Studier refereret:

^{1. Sankar, S., Cheng, W.-Y., Zhang, J., Slepyan, A., Iskarous, M. M., Greene, R. J., DeBrabander, R., Chen, J., Gupta, A., & Thakor, N. V. (2025). En naturlig biomimetisk protetisk hånd med neuromorfisk taktil sensing for præcis og eftergivende greb. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}