Edistynyt proteettinen käsi jäljittelee ihmisen kosketusta robotiikan läpimurrossa

Tutkijat ovat rakentaneet kokeellisen robottikäden, jossa yhdistyvät taipuisat nivelet, jäykkä sisäinen tukirakenne ja tuntoanturit. Tavoitteena on parantaa tulevien käsiproteesien tarttumista esineisiin. Tutkimus ei sisällä kliinistä koetta amputoitujen ihmisten kanssa eikä osoita, että käyttäjä tuntisi kosketuksen hermostonsa kautta.

Miksi ihmiskäden otetta on vaikea jäljitellä?

Ihmiskädessä luut, lihakset, pehmeät kudokset ja ihon tuntoaistit toimivat yhdessä. Niiden avulla voi tarttua hauraaseen esineeseen rikkomatta sitä ja havaita paineen tai värähtelyn muutoksia. Jäykkä robottitarttuja antaa tukea mutta mukautuu huonosti esineen muotoon. Hyvin pehmeä tarttuja mukautuu paremmin mutta voi jäädä heikoksi tai tarjota vähän tuntotietoa.

Ihossa on erilaisiin paineisiin, venytyksiin ja värähtelyihin reagoivia reseptoreita. Tutkijat eivät jäljentäneet koko biologista järjestelmää, vaan rakensivat monikerroksisen anturin, joka kerää enemmän tietoa kuin yksinkertainen kosketuskytkin.

Kokeellisen käden rakenne

Science Advances -lehdessä julkaistu tutkimus kuvaa sormet, joiden silikoniset nivelet ovat taipuisia mutta joiden sisällä on jäykkä tukirakenne. Ilmanpaine liikuttaa niveliä. Näin sormi voi mukautua esineen pintaan ja säilyttää samalla otetta tukevan rakenteen.

Sormenpään anturissa on kolme kerrosta. Ulomman ja keskimmäisen kerroksen sähköinen vastus muuttuu paineen mukaan. Sisemmässä kerroksessa pietsosähköinen osa havaitsee nopeita muutoksia ja värähtelyä. Laskentamalli yhdistää signaalit pintojen tekstuurien luokittelua varten.

Tutkijat käyttivät neuromorfista koodausta eli mittaustiedon esitystapaa, joka saa inspiraatiota hermosignaaleista. Tämä ei tarkoita, että signaalit olisi kokeessa johdettu ihmisen hermoihin tai että potilas olisi saanut tuntoaistinsa takaisin.

Mitä testeissä havaittiin?

Tiimi testasi ensin sormia ja anturikerroksia erikseen ja kiinnitti sitten käden UR5-robottivarteen. Se tarttui eri muotoisiin ja jäykkyisiin arkiesineisiin, kuten vesipulloon, pehmoleluun ja paperimukiin. Taipuisa rakenne auttoi säätelemään otetta.

Monikerroksisella anturilla varustettu hybridi­sormi saavutti tutkimuksen arvioinnissa keskimäärin 98,38 % tarkkuuden 26 testatun tekstuurin luokittelussa. Luku ei tarkoita kaikkien mahdollisten esineiden tunnistamista eikä potilaan palautunutta tuntoa. Täysin pehmeät ja täysin jäykät vertailusormet suoriutuivat tästä nimenomaisesta tehtävästä heikommin.

Mahdolliset käyttökohteet ja rajat

Ratkaisu voi auttaa yläraajaproteesien tutkimuksessa, herkkien tuotteiden käsittelyssä teollisuudessa ja esimerkiksi sadonkorjuuroboteissa. Jokapäiväiseksi proteesiksi se tarvitsee vielä arviointia mukavuudesta, kestävyydestä, ohjauksesta, painosta, energiankulutuksesta, turvallisuudesta ja todellisesta ihmiselle välittyvästä tuntopalautteesta.

Aiempi väite varmoista markkinoille tuloista viidessä tai kymmenessä vuodessa ei seuraa tutkimustuloksista. Aikataulu riippuu jatkotutkimuksesta, mahdollisista kliinisistä kokeista ja hyväksynnöistä.

Yritykset ja sijoittaminen

Ekso Bionics kehittää puettavia tukirankoja ja kuntoutusrobotiikkaa. Tämä yliopistotutkimus ei osoita, että yritys jo käyttäisi kyseistä anturia tai että sen liikevaihto kasvaisi tutkimuksen vuoksi.

Yhteenveto

Prototyyppi osoittaa, että pehmeiden ja jäykkien materiaalien sekä usean anturikerroksen yhdistäminen voi parantaa tarttumista ja tekstuurien luokittelua laboratoriossa. Se on tutkimusaskel kohti kehittyneempiä proteeseja, ei vielä ihmiselle kosketusaistin palauttava valmis käsi.