Fortschrittliche Prothesenhand imitiert menschliche Berührung – Durchbruch in der Robotik

Ein kürzlicher Durchbruch in der Robotik könnte Amputierten helfen, einige ihrer verlorenen Fähigkeiten zurückzugewinnen. Das neue Design der Prothesenhand kombiniert Sensorschichten mit einer hybriden Robotikstruktur und einem Machine‑Learning‑Algorithmus, der neuromorph kodierte Signale ausliest, um menschenähnliche Fähigkeiten zu erreichen. Das sollten Sie wissen.

Die Wissenschaft des Greifens

Wenn Sie sich nach unten beugen und etwas aufheben, scheint das automatisch zu geschehen. Die Realität ist, dass diese einfache, scheinbar belanglose Handlung eine komplexe Interaktion zwischen Millionen von Hautmechanorezeptoren, Ihrem Weichgewebe, Knochen, Gelenken und dem Gehirn darstellt.

Ihre Hand verfügt über vier primäre taktile Mechanorezeptoren, die Merkel‑Zellen, Meissner‑Körperchen, Ruffini‑Endungen und Pacini‑Körperchen genannt werden. Die äußere Hautschicht enthält Merkel‑Zellen, die für leichte Berührungen empfindlich sind.

Als nächstes erfassen die Meissner‑Körperchen niedrige Frequenzen. Darauf folgen die Ruffini‑Endungen, die Deformationen auf Oberflächen bestimmen. Die letzte Schicht, die Pacini‑Körperchen, erkennt Druck und hochfrequente Vibrationen.

Diese Kombination aus Sensoren, Knochen und Gewebe ermöglicht es Menschen, vielfältige und komplexe Oberflächen leicht und schnell zu erfassen. Bemerkenswert ist, dass diese Struktur es Ihnen erlaubt, ein Ei zu heben, ohne es zu zerbrechen, oder zu bemerken, dass der Papierbecher mit heißer Schokolade, den Sie am Automaten bestellt haben, zu rutschen beginnt.

Probleme bei der Nachbildung menschlicher Griffe

Es gab zahlreiche Versuche, robotische Hände mit derselben Vielseitigkeit wie menschliche Gliedmaßen zu entwickeln. Bisher sind sie aus verschiedenen Gründen gescheitert. Die Versuche, die die besten Ergebnisse erzielt haben, nutzten jedoch weiche Robotik.

Weiche Roboter unterscheiden sich von herkömmlichen Robotern dadurch, dass sie keine feste Struktur besitzen. Diese Geräte werden zunehmend in verschiedenen Aufgaben eingesetzt, darunter Katastrophenhilfe und Mineralexploration, wo ihr nicht konformer Aufbau es ermöglicht, die Form anzupassen und enge Räume zu durchdringen. Leider führt genau dieser Mangel an Steifigkeit dazu, dass weiche Roboter die menschlichen Gliedmaßen nicht vollständig nachbilden können.

Für einen jeden Sensor, den Sie einem flexiblen weichen Roboter hinzufügen, beeinträchtigt dessen Hauptfähigkeit – die Flexibilität. Zudem können die meisten dieser Systeme lediglich erkennen, dass eine Berührung stattgefunden hat. Dieser Ansatz steht in starkem Kontrast zu der enormen Menge an sensorischen Daten, die Ihr Gehirn bei jeder Berührung verarbeitet.

Details der Studie

In Anbetracht dieser Einschränkungen veröffentlichte eine Gruppe von Wissenschaftlern der Florida Atlantic University und anderer führender Institutionen die Studie „A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping“¹ in Science Advances. Das Papier untersucht ein neuartiges hybrides Prothesenhand‑Design, das weiche robotische Gelenke, ein starres Endoskelett und ein mehrschichtiges Sensorsystem nutzt.

Handdesign

Die Ingenieure entwickelten ein neues Handdesign, das menschliche Hände nachahmt. Das Mehrfinger‑System verwendet gummiartige Polymere für die Herstellung der Finger und des opponierbaren Daumens. Das Design nutzt weiche, mit Luft gefüllte Fingergelenke, die über die Unterarmmuskulatur mittels Elektromyographie (EMG) gesteuert werden. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Träger, die Hand wie seine echte Hand zu kontrollieren.

Quelle – Science Advances

Hybrid‑biomimetischer Finger

Das hybride biomimetische Fingerdesign integriert drei unabhängig angetriebene weiche Robotikgelenke. Diese Gelenke wurden aus dem Silikon Dragon Skin 10 gefertigt, um menschliche Haut zu simulieren. Die Finger besitzen 14 unabhängig bewegliche Gelenke, die wie bei einer menschlichen Hand aufgeteilt sind – jeweils drei in jedem Hauptfinger und zwei im Daumen.

Die Wissenschaftler entschieden sich, pneumatische Netzwerke zu verwenden, um die hybriden Fingergelenke zu betätigen. Konkret pressurisieren die Aktuatoren Luft, die sie aufbläst und so die Bewegung ermöglicht. Diese Strategie eliminiert den Bedarf an zusätzlichen Motoren und Aktuatoren, wodurch Kosten und Gewicht reduziert werden.

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Die menschenähnliche Anordnung der weichen Aktuatoren zusammen mit dem starren Endoskelett liefert mehr Kraft als herkömmliche weiche Robotiklösungen. Daher stellten sie fest, dass die pressurisierten Aktuatoren eine direkte Kraftübertragung auf das manipulierte Objekt ermöglichen, sodass präziser Druck auf bestimmte Bereiche ausgeübt werden kann, ohne das Objekt zu beschädigen.

Prothesenhand‑Fingertippe

Die weiche Silikon‑Fingertippe verfügt über ein Array mehrschichtiger taktiler Sensoren, die Druck und hochfrequente Schwingungen erfassen können. Sie ist der empfindlichste Teil der Hand und ist mit anderen Sensoren verbunden, um eine tiefgehende Interpretation der Umgebung und des zu manipulierenden Objekts zu ermöglichen. Wie Sie kann der Roboter seine Fingertippe über eine Oberfläche führen, um zahlreiche Eigenschaften des Materials und die erforderliche Handhabung zu bestimmen.

Skelett

Im Kern dieses Ansatzes steht die Annahme, dass ein hybrides Design ein starres, 3‑D‑gedrucktes Endoskelett integriert. Das von den Ingenieuren verwendete Skelett wurde aus Polylactid (PLA) gefertigt. Es bietet Stabilität, Kraftmultiplikation und Unterstützung für die Kernkomponenten der Hand.

Sensoren

Die Wissenschaftler stellten fest, dass sie nur drei Schichten taktiler Sensoren nachbilden mussten, um eine nahezu menschliche Leistung zu erzielen. Ihre Anordnung liefert dem System in Echtzeit zuverlässiges taktiles Feedback, sodass es komplexe Entscheidungen treffen kann, um die Zusammensetzung, die erforderliche Kraft und die Vorgehensweise zur erfolgreichen Manipulation von Gegenständen zu bestimmen.

Äußere Schicht: Die äußere Sensorschicht wurde entwickelt, um wie Ihre Epidermis zu funktionieren. Ihre Haut kann die leichteste Berührung wahrnehmen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, integrierte das Team eine äußere piezoresistive Sensorschicht auf der Oberfläche der hybriden Fingertippe. Diese Schicht enthält neun taktile Sensoren. Jeder Sensor hat eine Gesamtgröße von 4 mm² und ist 2,5 mm voneinander entfernt, wodurch die gesamte Fingertippe abgedeckt wird.

Mittlere Schicht: Der mittlere Sensorsbereich wurde entwickelt, um wie die Ruffini‑Endungen in Ihrem Körper zu funktionieren. Um diese Aufgabe zu erfüllen, bettete das Team eine piezoresistive Sensorschicht ein. Bemerkenswert ist, dass piezoresistive Sensoren ihren elektrischen Widerstand ändern, wenn eine äußere Kraft auf sie wirkt.

Interessanterweise verfügt diese Schicht über sechs Sensoren mit einer Fläche von 6 mm². Das Team platzierte diese Sensoren 2,5 mm voneinander entfernt und versetzte sie zur äußeren Sensorschicht, um die taktile Empfangsfähigkeit zu verbessern.

Innere Schicht: Die Ingenieure gestalteten die innere Schicht der Hand so, dass sie wie Pacini‑Körperchen funktioniert und hochfrequente Vibrationen sowie transiente Drucke aus der Umgebung erkennt. Sie wurde mit einem 10‑mm‑piezoelektrischen Wandler konstruiert, der am Fingernagel befestigt ist. Konkret sitzt er zwischen den weichen und den starren Komponenten der hybriden Fingertippe.

Sobald Kräfte erkannt werden, erzeugt sie eine kleine Spannung, die dem System ermöglicht, Anpassungen vorzunehmen und die beste Vorgehensweise zur Manipulation des Objekts zu bestimmen. Zusätzlich nutzt sie den starren Fingernagel, um Vibrationen von Oberflächen aufzunehmen.

Machine‑Learning‑Algorithmen

All diese Daten werden in einen ML‑Algorithmus eingespeist, der die Daten sammelt, verarbeitet und neuromorph kodiert, bevor er sie an das robotische Glied zurücksendet. Das System kann neuromorphe Reaktionen in Verbindung mit seinem proprietären Machine‑Learning‑Algorithmus nutzen, um Texturen zu klassifizieren.
Interessanterweise kodiert das System Daten neuromorph in Bezug auf die Mechanorezeptoren in der menschlichen Haut mithilfe des Izhikevich‑Neuron‑Modells. Diese Strategie ermöglicht es der Einheit, naturalistische taktile Sinnesinformationen durch Nervenstimulation bereitzustellen, was ein Novum für hybride Robotik darstellt.

Die Roboterhand weiß, was sie berührt

Diese Strategie ermöglicht es dem Roboterarm zu bestimmen, was er berührt. Die Signale überbrücken Gehirn und Nerven, sodass der Träger Objekte unterschiedlicher Formen und Oberflächenstrukturen mühelos unterscheiden kann.

Testen der Prothesenhand

Die Tests der Prothesenhand begannen mit den einzelnen Fingern. Jeder Finger wurde getestet, und jede Sensorschicht wurde evaluiert. Nachdem das Team festgestellt hatte, dass alle Komponenten wie geplant unabhängig funktionierten, wurden sie zusammengeführt und die nächste Testphase begann.
Im Rahmen dieser Testphase befestigten die Ingenieure die Hand am UR5‑Roboterarm. Von dort aus begann das Team, Gegenstände zu manipulieren. Insgesamt wurden 15 Alltagsgegenstände ausgewählt. Die getesteten Objekte reichten von Ananas, Metallwasserflaschen und weichen Spielzeugen bis hin zu einem Papierbecher voller Wasser.

Ergebnisse und Beobachtungen

Die Testergebnisse zeigten echtes Potenzial für diese Technologie. Die Tests lieferten Einblicke in ihre Fähigkeiten. In Bezug auf Flexibilität erreichte der hybride biomimetische Finger eine Krümmung von 127° und einen Flexionswinkel von 230° ohne Ausfallstellen.
Zusätzlich zeigte der Roboterarm Vielseitigkeit und konnte seinen Griff spontan anpassen. In einem Fall benutzte er nur drei Finger, um einen Papierbecher zu greifen, um ein Verbiegen und Verschütten des Wassers zu vermeiden. Beeindruckend klassifizierten die Sensoren des Roboterarms Gegenstände anhand der Berührung mit einer Genauigkeit von 98,38 %. Diese Rate übertraf sowohl weiche robotische als auch starre Prothesenfinger und lieferte menschenähnliche Präzision.

Vorteile der Ergebnisse

Die Vorteile, die diese Studie für den Markt bringt, könnten die Robotik zum Besseren verändern. Die hier demonstrierte hybride Technologie könnte die Sicherheit in Umgebungen verbessern, in denen Roboter und Mitarbeitende Seite an Seite arbeiten. Stellen Sie sich vor, Sie stoßen mit Ihrem Roboter‑Kollegen zusammen und er zieht sich zurück und entschuldigt sich.

Erhöhte Geschicklichkeit

Der verbesserte Prothesenarm zeigte im Vergleich zu Vorgängern eine hohe Geschicklichkeit. Er konnte Aufgaben bewältigen, die sowohl weiche als auch starre Roboter nicht ausführen konnten. In einem Beispiel wurde er beauftragt, einen Ball zu greifen, indem er sich um ihn herum anpasste. Er erfüllte diese Aufgabe, die für starre Prothesen unmöglich wäre.

Natürlicher

Ein weiterer großer Vorteil dieses Prothesentypus ist, dass er sich für den Patienten natürlicher anfühlt. Menschen mit Verlust der oberen Gliedmaßen haben oft das Gefühl, nicht wieder in ihre normalen Aufgaben zurückkehren zu können, aus Angst, dass die Prothese Schaden oder Verletzungen verursacht. Diese Technologie verspricht, ihnen zu ermöglichen, sicher mit ihren Angehörigen zu interagieren, ohne Sorge, ihnen zu schaden.

Forscher der Prothesenhand-Studie

Die Prothesenhand‑Studie wurde von Wen‑Yu Cheng von der Florida Atlantic University geleitet. Weitere Forscher, die zum Projekt beigetragen haben, sind Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen und Arnav Gupta von der University of Illinois Chicago.
Interessanterweise war dieses Team bereits 2018 das erste, das elektronische Haut in den Robotiksektor einführte. Jetzt haben sie diese Technologie weiterentwickelt, um leistungsfähige Prothesen zu schaffen, die menschliche Leistungen erbringen. Ihre Pläne umfassen die Weiterentwicklung ihrer Systeme durch Integration weiterer Sensoren, besserer Materialien und erhöhter Greifkraft.

Anwendungen in der Praxis & Zeitplan für Prothesenhand‑Technologie

Dieser Fortschritt birgt großes Potenzial für Personen mit Verlust der oberen Gliedmaßen, da er ihnen ermöglicht, natürlicher und sicherer mit ihrer Umgebung zu interagieren. Zukünftige Prothesen könnten diese Technologie integrieren und lebensnahe Reaktionen bieten. Dieselbe Technologie könnte zudem die Leistungsfähigkeit chirurgischer Roboter verbessern.
Obwohl sich diese Technologie derzeit noch in der Forschungsphase befindet, könnte sie in den nächsten 5 bis 10 Jahren kommerziell verfügbar werden, abhängig von weiterer Entwicklung und behördlichen Zulassungen. Hier sind einige weitere Anwendungsbeispiele für diese weiche robotische GIP‑Technologie.

Industrie

Der Industriesektor hat in den letzten fünf Jahren einen starken Trend hin zur Robotik erlebt. Diese neueste Technologie könnte die Akzeptanz weiter vorantreiben. Hersteller suchen ständig nach Möglichkeiten, Robotik mit menschlichen Arbeitskräften zu integrieren, um die Effizienz zu steigern, ohne die Qualität zu verlieren.
Hybride Robotikfunktionen wie die in dieser Studie diskutierten könnten sicherer neben Menschen arbeiten. Sie könnten zudem traditionell ausschließlich von Menschen ausgeführte Aufgaben übernehmen, wie das Sortieren empfindlicher Früchte oder Produkte wie Glaswaren, ohne Schaden zu verursachen.

Landwirtschaft

Die Landwirtschaft ist ein weiteres Gebiet, in dem Roboter Einzug gehalten haben. Diese Geräte könnten die Ernte verbessern, indem sie den Gesundheitszustand der Pflanzen über Sensoren überwachen und dafür sorgen, dass reife Früchte rechtzeitig geerntet werden. In Zukunft könnten weiche Roboter einen Großteil des landwirtschaftlichen Prozesses übernehmen, vom Pflanzen über das Ernten bis hin zum Sortieren von guten und schlechten Ernten.

Ein innovatives Unternehmen, das die Robotikbranche anführt

Der Robotiksektor boomt weiter, da immer mehr Unternehmen und Technologien eintreten. Die Zukunft der Robotik ist vielversprechend, und mehrere Firmen haben sich eine starke Marktposition gesichert. Diese Unternehmen haben Milliarden in Forschung und Entwicklung investiert, um agilere, leistungsfähigere und langlebigere Roboter zu schaffen. Hier ist ein Unternehmen, das die Robotik vorantreibt.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. trat 2005 in den Markt ein, um das Feld der Exoskelett‑Technologie und robotischen Rehabilitationsgeräte zu erweitern. Seit dem Start hat das Unternehmen zahlreiche hochrangige Verträge abgeschlossen, die sich auf die Weiterentwicklung seiner Exoskelett‑Produkte konzentrieren.

Exoskelette sind Roboter, die von Menschen getragen werden. Ihr Design soll Ihre Bewegungen ergänzen und verstärken. Daher könnten sie in Fabriken eingesetzt werden, um Ermüdung zu verhindern, oder auf dem Schlachtfeld, um Soldaten mehr Tragfähigkeit zu geben.

Ekso Holdings bietet mehrere innovative Lösungen, die die Lebensqualität von Patienten mit Gliedmaßenverlust verbessern sollen. Diese Produkte, zusammen mit seiner Marktposition und Geschichte, machen Ekso Bionics Holdings zu einer sinnvollen Ergänzung Ihres Portfolios.

Neueste Informationen zu Ekso Bionics Holdings

Prothesenhand-Studie und die Zukunft der hybriden Robotik

Diese Studie zeigt, dass die Natur möglicherweise bereits die beste Lösung für viele Designprobleme gefunden hat. Wenn immer mehr Ingenieure versuchen, die Natur nachzuahmen, werden ihre Robotikdesigns ein neues Zeitalter der Effizienz einläuten. Diese Technologie könnte dazu beitragen, dass Roboter sicher neben Menschen arbeiten und zusätzliche Dienstleistungen bieten, die sowohl das Leben der Arbeiter als auch die gelieferten Produkte verbessern.

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Studienreferenzen:

^{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). A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}