Une main prothétique de pointe imite le toucher humain dans le cadre d'une percée en robotique

Une récente avancée dans le domaine de la robotique pourrait aider les personnes amputées à retrouver une partie de leurs capacités perdues. La nouvelle conception de la main prothétique combine des couches de capteurs avec une structure robotique hybride et un algorithme d'apprentissage automatique qui lit les signaux codés de manière neuromorphique afin d'obtenir des capacités semblables à celles de l'homme. Voici ce qu'il faut savoir.

La science de la préhension

Lorsque vous vous penchez pour ramasser quelque chose, vous pouvez avoir l'impression que cela se fait automatiquement. En réalité, cette action simple, qui n'a l'air de rien, est le fruit d'une interaction complexe entre des millions de mécanorécepteurs cutanés, vos tissus mous, vos os, vos articulations et votre cerveau.

Votre main possède quatre mécanorécepteurs tactiles primaires appelés cellules de Merkel, corpuscules de Meissner, terminaisons de Ruffini et corpuscules de Pacini. La couche externe de la peau comporte des cellules de Merkel conçues pour réagir à un toucher léger.

Ensuite, les corpuscules de Meissner perçoivent les basses fréquences. Viennent ensuite les terminaisons de Ruffini, qui déterminent la déformation des surfaces. La dernière couche, les corpuscules de Pacini, détecte la pression et les vibrations à haute fréquence.

C'est ce mélange de capteurs, d'os et de tissus qui permet à l'homme de percevoir facilement et rapidement des surfaces diverses et complexes. Cette structure vous permet notamment de ramasser un œuf sans le casser ou de remarquer que le gobelet de chocolat chaud que vous avez commandé au distributeur commence à glisser.

Problèmes liés à la reproduction des poignées humaines

De nombreuses tentatives ont été faites pour créer des mains robotisées dotées de la même polyvalence que les membres humains. Cependant, toutes ont échoué à ce jour pour plusieurs raisons. Cependant, les tentatives qui ont obtenu les meilleurs résultats ont fait appel à la robotique douce.

Les robots souples se distinguent de la robotique traditionnelle par l'absence de structure dure. Ces dispositifs sont de plus en plus utilisés pour diverses tâches, notamment les secours en cas de catastrophe et la prospection minière, où leur conception non conforme leur permet de modifier leur forme pour s'adapter à des espaces restreints. Malheureusement, c'est aussi à cause de ce manque de rigidité que les robots mous ne parviennent pas à reproduire les membres humains.

Tout d'abord, chaque capteur ajouté à un robot souple nuit à sa capacité première, la souplesse. En outre, la majorité de ces systèmes ne sont capables que de détecter un contact. Cette approche est très éloignée de l'énorme quantité de données sensorielles que votre cerveau traite chaque fois que vous touchez un objet.

Détails de l'étude

Conscient de ces limites, un groupe de scientifiques de la Florida Atlantic University et d'autres institutions de premier plan a publié l'étude "Une main prothétique biomimétique naturelle avec détection tactile neuromorphique pour une préhension précise et souple"¹ dans Science Advances. L'article porte sur une nouvelle conception de main prothétique hybride qui s'appuie sur des articulations robotiques souples, un endosquelette rigide et un système de capteurs multicouches.

Conception de la main

Les ingénieurs ont créé un nouveau modèle de main qui reproduit les mains humaines. Le système multi-doigts utilise des polymères caoutchouteux pour la création des doigts et du pouce opposable. Il s'appuie sur des articulations souples, remplies d'air, qui sont actionnées par les muscles de l'avant-bras grâce à l'électromyographie. Cette approche permet à l'utilisateur de contrôler le système comme s'il s'agissait d'une vraie main.

Source - Science Advances

Doigt hybride biomimétique

Le doigt biométrique hybride intègre trois articulations robotiques souples actionnées indépendamment. Ces articulations ont été fabriquées en silicone Dragon Skin 10 pour simuler la peau humaine. Les doigts comportent 14 articulations à actionnement indépendant, réparties comme dans votre main, avec trois articulations dans chaque doigt principal et deux dans le pouce.

Le scientifique a choisi d'utiliser des réseaux pneumatiques pour actionner les articulations des doigts hybrides. Plus précisément, les actionneurs pressurisent de l'air, ce qui les gonfle et les fait bouger en conséquence. Cette stratégie élimine le besoin de moteurs et d'actionneurs supplémentaires, ce qui réduit les coûts et le poids.

La configuration humaine des actionneurs souples avec l'endosquelette rigide fournit plus de force qu'une option robotique souple traditionnelle. Ils ont ainsi déterminé que les actionneurs pressurisés transmettent directement la force à l'objet manipulé de manière à exercer une pression précise sur des zones spécifiques afin de manipuler l'objet sans l'endommager.

Prothèse de main Bout du doigt

Le bout du doigt en silicone souple est doté d'une série de capteurs tactiles multicouches qui lui permettent de détecter la pression et les hautes fréquences. C'est la partie la plus sensible de la main et elle est reliée à d'autres capteurs pour fournir une interprétation approfondie de l'environnement et de l'objet à manipuler. Comme vous, le robot peut passer le bout de son doigt sur une surface pour déterminer de nombreuses caractéristiques sur la composition d'un objet et la manière dont il doit être manipulé.

Squelette

Au cœur de cette approche se trouve la conviction qu'une conception hybride incorpore une structure endosquelettique rigide imprimée en 3D. Le squelette utilisé par les ingénieurs a été développé à partir d'acide polylactique (PLA). Il assure la stabilité, la multiplication des forces et le soutien des principaux composants de la main.

Capteurs

Les scientifiques ont constaté qu'il leur suffisait de reproduire trois couches de capteurs tactiles pour obtenir des performances proches de celles de l'homme. Leur disposition fournit au système un retour d'information tactile fiable en temps réel, ce qui lui permet de prendre des décisions complexes pour déterminer la composition, la force nécessaire et l'approche à adopter pour manipuler les objets avec succès.

Couche extérieure : La couche externe de capteurs a été conçue pour fonctionner comme votre épiderme. Votre peau peut percevoir le moindre contact. Pour ce faire, l'équipe a intégré une couche externe de capteurs piézorésistifs à la surface du bout du doigt hybride. Cette couche intègre neuf capteurs tactiles. Chaque capteur a une taille totale de 4 mm2 et est espacé de 2,5 mm, ce qui permet de couvrir entièrement le bout du doigt.

Couche intermédiaire : La zone de détection centrale a été conçue pour fonctionner comme les terminaisons de Ruffini dans votre corps. Pour ce faire, l'équipe a intégré une couche de détection piézorésistive. Les capteurs piézorésistifs modifient la résistance électrique lorsqu'une force externe leur est appliquée.

Il est intéressant de noter que cette couche comporte six capteurs mesurant 6 mm2. L'équipe a espacé ces capteurs de 2,5 mm et les a placés en décalage par rapport à la couche de capteurs extérieure afin d'améliorer les capacités de réception tactique.

Couche intérieure : Les ingénieurs ont conçu la couche interne de la main pour qu'elle fonctionne comme les corpuscules de Pacinian, en détectant les vibrations à haute fréquence et la pression transitoire de l'environnement. Ce système a été construit à l'aide d'un transducteur piézoélectrique de 10 mm fixé à l'ongle. Plus précisément, il se situe entre les composants souples et rigides de l'extrémité du doigt hybride.

Chaque fois qu'une force est détectée, elle génère une petite tension qui permet au système d'effectuer des ajustements et de déterminer la meilleure façon de manipuler l'objet. En outre, l'ongle rigide a été utilisé pour capter les vibrations des surfaces.

Algorithmes d'apprentissage automatique

Toutes ces données sont introduites dans un algorithme d'apprentissage automatique qui les rassemble, les traite et les encode de manière neuromorphique avant de les renvoyer à l'appendice robotique. Le système peut utiliser les réponses neuromorphiques en relation avec son algorithme propriétaire d'apprentissage automatique pour classer les textures.

Il est intéressant de noter que le système encode de manière neuromorphique les données relatives aux mécanorécepteurs de la peau humaine à l'aide du modèle de neurones d'Izhikevich. Cette stratégie permet à l'unité de fournir des informations sensorielles tactiles naturalistes par stimulation nerveuse, ce qui est une première pour la robotique hybride.

La main du robot sait ce qu'elle touche

Cette stratégie permet au bras robotique de déterminer ce qu'il touche. Les signaux font le lien entre le cerveau et les nerfs, ce qui permet au porteur de distinguer facilement des objets de formes et de textures différentes.

Test de prothèse de main

Les tests de la main prothétique ont commencé par les doigts individuels. Chaque doigt a été testé et chaque couche sensorielle a été évaluée. Une fois que l'équipe a déterminé que tous les dispositifs fonctionnaient indépendamment comme prévu, ils ont été combinés et la phase suivante des tests a commencé.

Dans le cadre de cette phase de test de la recherche, les ingénieurs ont fixé la main au bras robotique UR5. À partir de là, l'équipe a commencé à essayer de manipuler des objets. Au total, 15 objets de la vie quotidienne ont été sélectionnés. Les objets testés allaient de l'ananas à un gobelet en papier rempli d'eau, en passant par des bouteilles d'eau en métal et des peluches.

Résultats et observations

Les résultats des tests ont montré que cette technologie était très prometteuse. Les tests ont donné un aperçu de ses capacités. En termes de flexibilité, le doigt biomimétique hybride a atteint 127° de courbure et un angle de flexion de 230° sans aucun point de défaillance.

En outre, le bras robotique a fait preuve de polyvalence et a été capable d'ajuster sa prise à la volée. Dans un cas, il n'a utilisé que trois doigts pour saisir un gobelet en papier afin d'éviter de le plier et de renverser l'eau. Il est impressionnant de constater que les capteurs du bras robotique ont classé les objets en fonction du toucher avec une précision de 98,38%. Ce taux surpasse celui des doigts robotiques souples et des prothèses rigides, offrant une précision comparable à celle de l'homme.

Avantages des résultats

Les avantages que cette étude apporte au marché pourraient changer la robotique pour le mieux. La technologie hybride démontrée ici pourrait contribuer à améliorer la sécurité dans les environnements où les robots et les employés travaillent côte à côte. Imaginez que vous heurtiez votre collègue robot et que celui-ci s'éloigne en s'excusant.

Dextérité accrue

Le bras prothétique amélioré a fait preuve d'une grande dextérité par rapport à ses prédécesseurs. Il a pu accomplir des tâches que les robots souples et rigides ne pouvaient pas réaliser. Dans un exemple, il a été chargé de saisir une balle en se conformant autour d'elle. Il a accompli cette tâche, ce qui aurait été impossible pour une prothèse rigide.

Plus naturel

Un autre avantage majeur de ce type de prothèse est qu'elle semble plus naturelle pour le patient. Les personnes souffrant de la perte d'un membre supérieur peuvent avoir l'impression de ne pas pouvoir réintégrer leurs tâches normales par crainte que leur prothèse ne les blesse ou ne les abîme. Cette technologie devrait leur permettre d'interagir en toute sécurité avec leurs proches sans craindre de les blesser.

Chercheurs de l'étude sur les prothèses de main

L'étude sur la main prothétique a été dirigée par Wen-Yu Cheng de la Florida Atlantic University. D'autres chercheurs ont contribué au projet, notamment Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen et Arnav Gupta de l'université de l'Illinois à Chicago.

Il est intéressant de noter que cette même équipe a été la première à introduire la peau électronique dans le secteur de la robotique en 2018. Aujourd'hui, elle s'est appuyée sur cette technologie pour créer des prothèses capables d'offrir des performances humaines. Ils prévoient de perfectionner leurs systèmes en intégrant davantage de capteurs, de meilleurs matériaux et une force de préhension accrue.

Applications dans le monde réel et calendrier pour les techniciens en prothèse de main

Cette avancée est très prometteuse pour les personnes ayant perdu un membre supérieur, car elle leur permet d'interagir avec leur environnement de manière plus naturelle et plus sûre. Les futures prothèses pourraient intégrer cette technologie et fournir des réponses proches de la réalité. Cette même technologie pourrait également contribuer à améliorer les robots chirurgicaux.

Actuellement en phase de recherche, ces technologies prothétiques pourraient être commercialisées d'ici 5 à 10 ans, en fonction des développements ultérieurs et des autorisations réglementaires. Voici quelques autres applications réelles de cette technologie robotique souple.

Industriel

Le secteur industriel a connu une forte évolution vers la robotique au cours des cinq dernières années. Cette dernière technologie pourrait contribuer à renforcer l'adoption de la robotique. Les fabricants cherchent constamment des moyens d'intégrer la robotique aux travailleurs humains afin d'améliorer l'efficacité sans perdre en qualité.

Les fonctions robotiques hybrides telles que celle dont il est question dans cette étude pourraient travailler aux côtés des humains avec moins de risques. Ils pourraient également accomplir des tâches traditionnellement réservées à l'homme, comme le tri de fruits ou de produits délicats tels que la verrerie, sans causer de dommages.

Agriculture

L'agriculture est un autre domaine où les robots ont trouvé leur place. Ces dispositifs pourraient contribuer à améliorer les récoltes en aidant à surveiller la santé des cultures grâce à des capteurs et en veillant à ce que les cultures mûres soient cueillies en temps voulu. À l'avenir, les robots souples pourraient prendre en charge une grande partie du processus agricole, de la plantation à la cueillette, en passant par le tri des bonnes et des mauvaises récoltes.

Une entreprise innovante à la pointe de l'industrie robotique

Le secteur de la robotique poursuit son essor avec l'arrivée d'un nombre croissant d'entreprises et de technologies. L'avenir de la robotique est prometteur et plusieurs entreprises se sont assurées une position solide sur le marché. Ces entreprises ont investi des milliards dans la recherche et le développement de robots plus agiles, plus performants et plus durables. Voici une entreprise pionnière dans le domaine de la robotique.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ : EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. (EKSO +4.52%) est entrée sur le marché en 2005, cherchant à améliorer le domaine de la technologie des exosquelettes et des appareils de rééducation robotique. Depuis son lancement, l'entreprise a obtenu de nombreux contrats de haut niveau axés sur le développement de ses produits d'exosquelette.

Les exosquelettes sont des robots portés par les humains. Ils sont conçus pour compléter et améliorer les mouvements de l'utilisateur. Ils pourraient ainsi être utilisés dans les usines pour prévenir la fatigue ou sur un champ de bataille pour donner aux soldats une plus grande capacité de charge.

Ekso Holdings propose plusieurs solutions innovantes destinées à améliorer la qualité de vie des patients souffrant de la perte d'un membre. Ces produits, ainsi que son positionnement et son historique de marché, font d'Ekso Bionics Holdings un ajout judicieux à votre portefeuille.

Dernières nouvelles d'Ekso Bionics Holdings

Étude sur les prothèses de main et l'avenir de la robotique hybride

Cette étude démontre que la nature a peut-être déjà trouvé la meilleure solution à de nombreux problèmes de conception. Comme de plus en plus d'ingénieurs cherchent à imiter la nature, leurs conceptions robotiques inaugureront une nouvelle ère d'efficacité. Cette technologie pourrait permettre aux robots de travailler aux côtés des humains en toute sécurité et de fournir des services supplémentaires qui améliorent à la fois la vie des travailleurs et les produits livrés.

En savoir plus sur d'autres avancées intéressantes en matière de robotique Ici.

Études référencées :

^{1. Sankar, S., Cheng, W.-Y., Zhang, J., Slepyan, A., Iskarous, M. M., Greene, R. J., DeBrabander, R., Chen, J., Gupta, A. et Thakor, N. V. (2025). Une main prothétique biomimétique naturelle avec détection tactile neuromorphique pour une préhension précise et souple. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}