Προηγμένο Προσθετικό Χέρι Προσομοιώνει την Ανθρώπινη Αφή σε Επανάσταση Ρομποτικής

Ερευνητές ανέπτυξαν ένα πειραματικό βιομιμητικό ρομποτικό χέρι που συνδυάζει μαλακές αρθρώσεις, άκαμπτο εσωτερικό σκελετό και αισθητήρες αφής. Ο στόχος είναι να βελτιωθεί η λαβή μελλοντικών προσθετικών χεριών. Η μελέτη δεν περιγράφει κλινική δοκιμή με άτομα που έχουν χάσει άκρο ούτε αποδεικνύει ότι ένας χρήστης αισθάνεται ήδη την αφή μέσω του νευρικού του συστήματος.

Γιατί είναι δύσκολο να αντιγραφεί η ανθρώπινη λαβή;

Ένα ανθρώπινο χέρι συνδυάζει οστά, μαλακούς ιστούς, μύες και διαφορετικούς υποδοχείς της αφής. Μπορούμε έτσι να κρατάμε ένα ευαίσθητο αντικείμενο χωρίς να το συνθλίβουμε και να αντιλαμβανόμαστε αλλαγές στην πίεση ή στις δονήσεις. Οι άκαμπτες ρομποτικές λαβές προσφέρουν στήριξη, αλλά δεν προσαρμόζονται πάντα εύκολα. Οι πολύ μαλακές λαβές προσαρμόζονται στο σχήμα, αλλά μπορεί να έχουν μικρότερη δύναμη ή λιγότερα δεδομένα αφής.

Στο ανθρώπινο δέρμα οι υποδοχείς Merkel, Meissner, Ruffini και Pacini ανταποκρίνονται σε διαφορετικά είδη πίεσης, παραμόρφωσης και δόνησης. Η ερευνητική ομάδα δεν αντέγραψε αυτούς τους βιολογικούς μηχανισμούς πλήρως. Δημιούργησε, όμως, πολυστρωματικό τεχνητό αισθητήρα που καταγράφει περισσότερες όψεις της επαφής από έναν απλό διακόπτη αφής.

Η κατασκευή του πειραματικού χεριού

Η μελέτη στο Science Advances περιγράφει δάχτυλα με εύκαμπτες αρθρώσεις από σιλικόνη και άκαμπτο εσωτερικό σκελετό. Η πίεση αέρα κινεί τις μαλακές αρθρώσεις. Ο συνδυασμός επιτρέπει στα δάχτυλα να προσαρμόζονται στο αντικείμενο, ενώ ο σκελετός στηρίζει τη λαβή.

Στην άκρη του δαχτύλου υπάρχουν τρία στρώματα αισθητήρων. Το εξωτερικό και το μεσαίο περιλαμβάνουν αισθητήρες των οποίων η ηλεκτρική αντίσταση αλλάζει με τη μηχανική πίεση. Το εσωτερικό χρησιμοποιεί πιεζοηλεκτρικό στοιχείο για γρήγορες μεταβολές και δονήσεις. Οι ενδείξεις συνδυάζονται από υπολογιστικό μοντέλο ώστε να ταξινομούνται οι υφές των επιφανειών.

Η έρευνα χρησιμοποιεί νευρομορφική κωδικοποίηση, δηλαδή τρόπο αναπαράστασης των ενδείξεων που μιμείται ορισμένα χαρακτηριστικά των νευρικών σημάτων. Αυτό δεν σημαίνει ότι στη συγκεκριμένη δοκιμή τα σήματα μεταδόθηκαν στα νεύρα ανθρώπου ή ότι ο χρήστης ένιωσε πραγματική αφή.

Τι έδειξαν οι δοκιμές;

Οι ερευνητές εξέτασαν χωριστά τα δάχτυλα και τους αισθητήρες και στη συνέχεια τοποθέτησαν το χέρι σε ρομποτικό βραχίονα UR5. Δοκίμασαν τη λαβή σε καθημερινά αντικείμενα με διαφορετικά σχήματα και ακαμψία, μεταξύ των οποίων δοχείο νερού, παιχνίδι και χάρτινο ποτήρι. Η ελαστική κατασκευή επέτρεψε προσαρμογή της λαβής ώστε να μην παραμορφωθεί εύκολα το αντικείμενο.

Ένα μεμονωμένο υβριδικό δάχτυλο με πολυστρωματικό αισθητήρα πέτυχε μέση ακρίβεια 98,38% στην ταξινόμηση 26 δοκιμαστικών επιφανειών, με τη μέθοδο αξιολόγησης που περιγράφει η μελέτη. Το ποσοστό δεν είναι γενική ακρίβεια αναγνώρισης οποιουδήποτε αντικειμένου στον κόσμο ούτε μέτρηση της αίσθησης ενός ασθενούς. Οι συγκριτικές μαλακές και άκαμπτες κατασκευές είχαν χαμηλότερη επίδοση σε αυτή τη συγκεκριμένη δοκιμή.

Πιθανές εφαρμογές και όρια

Ο σχεδιασμός μπορεί να βοηθήσει την έρευνα για προσθετικά άνω άκρων, βιομηχανικές αρπάγες που χειρίζονται εύθραυστα προϊόντα και ρομπότ για συγκομιδή. Για να γίνει προσθετικό για καθημερινή χρήση χρειάζονται ακόμη αξιολόγηση άνεσης, αντοχής, ελέγχου, βάρους, ενέργειας, ασφάλειας και πραγματικής αισθητηριακής ανατροφοδότησης σε ανθρώπους.

Ο αρχικός ισχυρισμός ότι τέτοια προσθετικά θα κυκλοφορήσουν οπωσδήποτε σε πέντε έως δέκα χρόνια δεν προκύπτει από τις δοκιμές. Ο χρόνος ανάπτυξης θα εξαρτηθεί από επιπλέον έρευνα, κλινικές μελέτες και τις απαιτούμενες εγκρίσεις.

Η διάσταση της αγοράς

Η Ekso Bionics δραστηριοποιείται στα φορητά εξωσκελετικά συστήματα και στη ρομποτική αποκατάσταση. Η ύπαρξη αυτής της ακαδημαϊκής μελέτης δεν δείχνει ότι η εταιρεία χρησιμοποιεί ήδη τον συγκεκριμένο αισθητήρα ή ότι τα έσοδά της θα αυξηθούν εξαιτίας του. Οι επενδυτικές αποφάσεις πρέπει να βασίζονται στα πραγματικά προϊόντα, στα οικονομικά στοιχεία και στους κινδύνους κάθε εταιρείας.

Συμπέρασμα

Το πειραματικό χέρι δείχνει ότι η συνδυασμένη χρήση μαλακών και άκαμπτων υλικών με αισθητήρες πολλών στρωμάτων μπορεί να βελτιώσει τη λαβή και την αναγνώριση υφής στο εργαστήριο. Αποτελεί χρήσιμο βήμα για την έρευνα στα προσθετικά, αλλά δεν είναι ακόμη προσθετικό που αποκαθιστά την ανθρώπινη αίσθηση της αφής.