Tangan Prostetik Canggih Meniru Sentuhan Manusia dalam Terobosan Robotika

Sebuah terobosan terbaru dalam robotika dapat membantu amputasi mendapatkan kembali sebagian kemampuan yang hilang. Desain tangan prostetik baru ini menggabungkan lapisan sensor dengan struktur robotik hibrida dan algoritma pembelajaran mesin yang membaca sinyal terkode neuromorfik untuk mencapai kemampuan mirip manusia. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Ilmu tentang Memegang

Ketika Anda meraih ke bawah dan mengambil sesuatu, tampaknya terjadi secara otomatis. Padahal tindakan sederhana ini, yang tampak sepele, merupakan interaksi kompleks antara jutaan mekanoreseptor kulit, jaringan lunak Anda, tulang, sendi, dan otak.

Tangan Anda memiliki empat mekanoreseptor taktil utama yang disebut sel Merkel, korpuskel Meissner, ujung Ruffini, dan korpuskel Pacinian. Lapisan luar kulit Anda memiliki sel Merkel yang dirancang untuk merespons sentuhan ringan.

Selanjutnya, korpuskel Meissner mendeteksi frekuensi rendah. Diikuti oleh ujung Ruffini yang menentukan deformasi pada permukaan. Lapisan terakhir, korpuskel Pacinian, mendeteksi tekanan dan getaran frekuensi tinggi.

Campuran sensor, tulang, dan jaringan inilah yang memungkinkan manusia dengan mudah dan cepat merasakan permukaan yang beragam dan kompleks. Secara khusus, struktur ini memungkinkan Anda mengambil telur tanpa memecahkannya atau menyadari bahwa gelas kertas cokelat panas yang Anda pesan dari mesin penjual otomatis mulai tergelincir.

Masalah dalam Meniru Pegangan Manusia

Banyak upaya telah dilakukan untuk menciptakan tangan robotik dengan fleksibilitas yang sama seperti anggota tubuh manusia. Namun, semuanya belum berhasil hingga saat ini karena beberapa alasan. Namun, upaya yang menghasilkan hasil terbaik telah memanfaatkan robotika lunak.

Robot Lunak berbeda dari robotika tradisional karena tidak memiliki struktur keras. Perangkat ini semakin banyak digunakan dalam berbagai tugas, termasuk bantuan bencana dan eksplorasi mineral, di mana desain yang tidak kaku memungkinkan mereka mengubah bentuk untuk melewati ruang sempit. Sayangnya, kekurangan kekakuan ini juga membuat robot lunak gagal meniru anggota tubuh manusia.

Pertama, setiap sensor yang Anda tambahkan ke robot lunak yang fleksibel mengurangi kemampuan utama mereka, yaitu fleksibilitas. Selain itu, sebagian besar sistem ini hanya dapat mendeteksi bahwa sentuhan telah terjadi. Pendekatan ini jauh berbeda dari sejumlah besar data sensorik yang diproses otak Anda setiap kali menyentuh suatu benda.

Rincian Penelitian

Menyadari keterbatasan ini, sekelompok ilmuwan dari Florida Atlantic University dan institusi terkemuka lainnya menerbitkan studi “Tangan Prostetik Biomimetik Alami dengan Sensor Taktil Neuromorfik untuk Gripping yang Presisi dan Patuh“¹ di Science Advances. Makalah tersebut meneliti desain tangan prostetik hibrida baru yang memanfaatkan sendi robotik lunak, rangka endoskeleton kaku, dan sistem sensor berlapis.

Desain Tangan

Para insinyur menciptakan desain tangan baru yang meniru tangan manusia. Sistem multi-jari menggunakan polimer mirip karet untuk pembuatan jari dan ibu jari yang dapat berlawanan. Desain ini memanfaatkan sendi jari yang lunak dan berisi udara yang diaktifkan oleh otot lengan bawah melalui elektromiografi. Pendekatan ini memungkinkan pemakai mengendalikan tangan seperti tangan asli mereka.

Sumber – Science Advances

Jari Biomimetik Hibrida

Desain jari biometrik hibrida mengintegrasikan tiga sendi robotik lunak yang beraksi secara independen. Sendi-sendi ini terbuat dari silikon Dragon Skin 10 untuk meniru kulit manusia. Jari-jari memiliki 14 sendi yang beraksi secara independen, terbagi seperti tangan Anda, dengan 3 pada setiap jari utama dan dua pada ibu jari.

Para ilmuwan memilih menggunakan jaringan pneumatik untuk menggerakkan sendi jari hibrida. Secara khusus, aktuator menekan udara, yang mengembang dan menyebabkan gerakan yang sesuai. Strategi ini menghilangkan kebutuhan motor dan aktuator tambahan, mengurangi biaya dan berat.

Konfigurasi mirip manusia dari aktuator lunak dengan rangka endoskeleton kaku memberikan lebih banyak gaya dibandingkan opsi robotik lunak tradisional. Oleh karena itu, mereka menentukan bahwa aktuator bertekanan memberikan transmisi gaya langsung ke objek yang dimanipulasi dengan cara yang memungkinkan tekanan presisi pada area tertentu untuk memanipulasi objek tanpa merusaknya.

Ujung Jari Tangan Prostetik

Ujung jari silikon lunak memiliki rangkaian sensor taktil berlapis yang memungkinkan ia merasakan tekanan dan frekuensi tinggi. Ini adalah bagian paling sensitif dari tangan dan terhubung ke sensor lain untuk memberikan interpretasi mendalam tentang lingkungan dan objek yang akan dimanipulasi. Seperti Anda, robot dapat menggesek ujung jarinya di permukaan untuk menentukan banyak karakteristik tentang komposisi barang dan cara penanganannya.

Kerangka

Inti dari pendekatan ini adalah keyakinan bahwa desain hibrida menggabungkan struktur endoskeleton kaku yang dicetak 3D. Kerangka yang digunakan insinyur dikembangkan dengan menggunakan polilaktat (PLA). Kerangka ini menawarkan stabilitas, penggandaan gaya, dan dukungan untuk komponen inti tangan.

Sensor

Para ilmuwan menemukan bahwa mereka hanya perlu meniru tiga lapisan sensor taktil untuk mencapai kinerja hampir mirip manusia. Tata letaknya memberikan umpan balik taktil yang andal secara real-time ke sistem, memungkinkan sistem membuat keputusan kompleks untuk menentukan komposisi, gaya yang dibutuhkan, dan pendekatan untuk berhasil memanipulasi barang.

Outer Layer: Lapisan sensor luar dirancang untuk beroperasi seperti epidermis Anda. Kulit Anda dapat merasakan sentuhan paling ringan. Untuk mencapai hal ini, tim mengintegrasikan lapisan sensor piezoresistif luar pada permukaan ujung jari hibrida. Lapisan ini menggabungkan sembilan sensor taktil. Setiap sensor berukuran total 4 mm2 dan berjarak 2,5 mm, memberikan cakupan penuh pada ujung jari.

Middle Layer: Area sensor tengah dibangun untuk beroperasi seperti ujung Ruffini dalam tubuh Anda. Untuk mencapai hal ini, tim menyematkan lapisan sensor piezoresistif. Secara khusus, sensor piezoresistif mengubah resistansi listrik ketika gaya eksternal diterapkan padanya.

Menariknya, lapisan ini memiliki enam sensor berukuran 6 mm2. Tim menempatkan sensor-sensor ini dengan jarak 2,5 mm dan menatanya secara offset dari lapisan sensor luar untuk meningkatkan kemampuan penerimaan taktis.

Inner Layer: Lapisan Dalam: Para insinyur merancang lapisan dalam tangan untuk beroperasi seperti korpuskel Pacinian, mendeteksi getaran frekuensi tinggi dan tekanan transien dari lingkungan. Lapisan ini dibangun menggunakan transduser piezoelektrik 10 mm yang dipasang pada kuku jari. Secara khusus, ia berada di antara komponen lunak dan kaku dari ujung jari hibrida.

Setiap kali gaya terdeteksi, ia menghasilkan tegangan kecil yang memungkinkan sistem melakukan penyesuaian dan menentukan cara terbaik untuk memanipulasi objek. Selain itu, ia memanfaatkan kuku jari yang kaku untuk menangkap getaran pada permukaan.

Algoritma Pembelajaran Mesin

Semua data ini dimasukkan ke dalam algoritma ML yang mengumpulkan, memproses, dan mengkodekan data secara neuromorfik sebelum mengirimnya kembali ke lengan robotik. Sistem dapat memanfaatkan respons neuromorfik terkait dengan algoritma pembelajaran mesin proprieternya untuk mengklasifikasikan tekstur.

Menariknya, sistem ini mengkodekan data secara neuromorfik relatif terhadap mekanoreseptor pada kulit manusia menggunakan kerangka model neuron Izhikevich. Strategi ini memungkinkan unit memberikan informasi sensorik taktil alami melalui stimulasi saraf, yang merupakan pertama kalinya untuk robotika hibrida.

Tangan Robot Mengetahui Apa yang Dirasakan

Strategi ini memungkinkan lengan robotik menentukan apa yang sedang disentuhnya. Sinyal-sinyal tersebut menjembatani otak dan saraf, memungkinkan pemakai membedakan objek dengan berbagai bentuk dan tekstur permukaan dengan mudah.

Pengujian Tangan Prostetik

Pengujian tangan prostetik dimulai dengan masing-masing jari. Setiap jari diuji, dan setiap lapisan sensor menjalani evaluasi. Setelah tim memastikan semua perangkat beroperasi secara independen sesuai rencana, mereka digabungkan, dan fase pengujian berikutnya dimulai.

Sebagai bagian dari fase pengujian penelitian ini, insinyur memasang tangan pada lengan robot UR5. Dari sana, tim mulai mencoba memanipulasi benda-benda. Secara total, 15 barang sehari-hari dipilih. Barang-barang yang diuji meliputi nanas, botol air logam, mainan lunak, hingga gelas kertas berisi air.

Hasil dan Pengamatan

Hasil pengujian menunjukkan harapan nyata untuk teknologi ini. Pengujian memberikan wawasan tentang kemampuannya. Dalam hal fleksibilitas, jari biomimetik hibrida mencapai kelengkungan 127° dan sudut fleksi 230° tanpa titik kegagalan.

Selain itu, lengan robotik menunjukkan fleksibilitas dan dapat menyesuaikan cengkeramannya secara dinamis. Pada satu contoh, ia hanya menggunakan 3 jari untuk memegang gelas kertas agar tidak melengkungkan dan menumpahkan air. Secara mengesankan, sensor lengan robotik mengklasifikasikan barang berdasarkan sentuhan dengan akurasi 98,38%. Tingkat ini melampaui baik jari robotik lunak maupun prostetik kaku, memberikan akurasi mirip manusia.

Manfaat Temuan

Manfaat yang dibawa studi ini ke pasar dapat mengubah robotika menjadi lebih baik. Teknologi hibrida yang ditunjukkan di sini dapat membantu meningkatkan keselamatan di lingkungan di mana robot dan karyawan bekerja berdampingan. Bayangkan menabrak rekan kerja robot Anda dan mereka mundur serta meminta maaf.

Peningkatan Ketangkasan

Lengan prostetik yang ditingkatkan menunjukkan ketangkasan tinggi dibandingkan pendahulunya. Ia dapat menyelesaikan tugas yang tidak dapat dilakukan oleh robot lunak maupun kaku. Dalam satu contoh, ia ditugaskan untuk memegang bola dengan menyesuaikan diri di sekelilingnya. Ia berhasil menyelesaikan tugas ini, yang tidak mungkin dilakukan oleh prostetik kaku.

Lebih Alami

Manfaat utama lain dari gaya prostetik ini adalah terasa lebih alami bagi pasien. Orang yang mengalami kehilangan anggota tubuh atas dapat merasa tidak dapat kembali ke tugas normal mereka karena takut prostetik menyebabkan bahaya atau cedera. Teknologi ini menjanjikan memungkinkan mereka berinteraksi dengan orang terkasih secara aman tanpa khawatir melukai mereka.

Peneliti Studi Tangan Prostetik

Studi tangan prostetik dipimpin oleh Wen-Yu Cheng dari Florida Atlantic University. Peneliti lain yang berkontribusi pada proyek ini meliputi Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen, dan Arnav Gupta dari University of Illinois Chicago.

Menariknya, tim yang sama ini pertama kali memperkenalkan kulit elektronik ke sektor robotika pada tahun 2018. Sekarang, mereka mengembangkan teknologi ini lebih jauh untuk menciptakan prostetik yang mampu memberikan kinerja manusia. Rencana mereka mencakup pengembangan sistem dengan mengintegrasikan lebih banyak sensor, bahan yang lebih baik, dan peningkatan gaya cengkeraman.

Aplikasi Dunia Nyata & Garis Waktu untuk Teknologi Tangan Prostetik

Kemajuan ini memberikan harapan signifikan bagi individu dengan kehilangan anggota tubuh atas, memberi mereka kemampuan berinteraksi dengan lingkungan secara lebih alami dan aman. Prostetik masa depan dapat mengintegrasikan teknologi ini dan memberikan respons yang mirip kehidupan. Teknologi yang sama juga dapat membantu meningkatkan robot bedah.

Meskipun saat ini masih dalam fase penelitian, teknologi prostetik semacam ini dapat tersedia secara komersial dalam 5 hingga 10 tahun ke depan, tergantung pada pengembangan lebih lanjut dan persetujuan regulatori. Berikut beberapa aplikasi dunia nyata lainnya untuk teknologi robotik lunak ini.

Industri

Sektor industri telah mengalami pergeseran kuat menuju robotika selama 5 tahun terakhir. Teknologi terbaru ini dapat membantu mempercepat adopsi lebih lanjut. Produsen terus mencari cara mengintegrasikan robotika dengan pekerja manusia untuk meningkatkan efisiensi tanpa mengorbankan kualitas.

Fitur robotik hibrida seperti yang dibahas dalam studi ini dapat bekerja berdampingan dengan manusia dengan risiko lebih rendah. Mereka juga dapat menyelesaikan tugas tradisional yang hanya dapat dilakukan manusia, seperti menyortir buah rapuh atau produk seperti barang kaca tanpa menyebabkan kerusakan.

Pertanian

Pertanian adalah bidang lain di mana robot menemukan tempatnya. Perangkat ini dapat membantu meningkatkan hasil panen dengan memantau kesehatan tanaman melalui sensor dan memastikan buah matang dipanen tepat waktu. Di masa depan, robot lunak dapat menangani sebagian besar proses pertanian, mulai dari penanaman, pemetikan, hingga penyortiran tanaman yang baik dan buruk.

Perusahaan Inovatif yang Memimpin Industri Robotika

Sektor robotika terus berkembang pesat seiring semakin banyak perusahaan dan teknologi yang masuk. Masa depan robotika cerah, dan beberapa perusahaan telah mengamankan posisi kuat di pasar. Perusahaan-perusahaan ini telah menginvestasikan miliaran dalam riset dan pengembangan robot yang lebih gesit, mampu, dan tahan lama. Berikut satu perusahaan yang mempelopori robotika.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. memasuki pasar pada tahun 2005, dengan tujuan meningkatkan bidang teknologi exoskeleton dan perangkat rehabilitasi robotik. Sejak peluncurannya, perusahaan telah mengamankan banyak kontrak tingkat tinggi yang berfokus pada pengembangan lebih lanjut produk exoskeletonnya.

Exoskeleton adalah robot yang dipakai oleh manusia. Desainnya dimaksudkan untuk melengkapi dan meningkatkan gerakan Anda. Oleh karena itu, mereka dapat digunakan di pabrik untuk membantu mencegah kelelahan atau di medan perang untuk memberi tentara kapasitas angkut yang lebih besar.

Ekso Holdings menawarkan beberapa solusi inovatif yang dirancang untuk meningkatkan kualitas hidup pasien yang kehilangan anggota tubuh. Produk-produk ini, bersama dengan posisi dan sejarah pasar mereka, menjadikan Ekso Bionics Holdings tambahan yang cerdas untuk portofolio Anda.

Berita Terbaru tentang Ekso Bionics Holdings

Studi Tangan Prostetik dan Masa Depan Robotika Hibrida

Studi ini menunjukkan bagaimana alam mungkin telah menemukan solusi terbaik untuk banyak masalah desain. Seiring lebih banyak insinyur berusaha meniru alam, desain robotik mereka akan membuka era baru efisiensi. Teknologi ini dapat membantu memastikan robot dapat bekerja berdampingan dengan manusia secara aman dan memberikan layanan tambahan yang meningkatkan kehidupan pekerja serta produk yang dihasilkan.

Pelajari terobosan Robotika keren lainnya Di sini.

Studi yang Dirujuk:

^{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). Tangan Prostetik Biomimetik Alami dengan Sensor Taktil Neuromorfik untuk Gripping yang Presisi dan Patuh. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}