La mano protesica avanzata imita il tatto umano in una svolta nella robotica

Una recente svolta nella robotica potrebbe aiutare gli amputati a recuperare alcune delle capacità perse. Il nuovo design della mano protesica combina strati di sensori con una struttura robotica ibrida e un algoritmo di apprendimento automatico che legge segnali codificati neuromorficamente per ottenere capacità simili a quelle umane. Ecco cosa c’è da sapere.

La scienza della presa

Quando ti chini e prendi qualcosa, può sembrare che accada automaticamente. In realtà, questa azione semplice, che sembra nulla, è un’interazione complessa tra milioni di meccanorecettori della pelle, i tuoi tessuti molli, ossa, articolazioni e cervello.

La tua mano ha quattro principali meccanorecettori tattici chiamati cellule di Merkel, corpi di Meissner, terminazioni di Ruffini e corpi di Pacini. Lo strato esterno della tua pelle contiene le cellule di Merkel, progettate per rispondere al tocco leggero.

Successivamente, i corpi di Meissner percepiscono basse frequenze. Seguiti dalle terminazioni di Ruffini che determinano la deformazione delle superfici. Lo strato finale, i corpi di Pacini, rileva la pressione e le vibrazioni ad alta frequenza.

È questa combinazione di sensori, ossa e tessuti che consente agli esseri umani di percepire facilmente e rapidamente superfici diverse e complesse. In particolare, questa struttura ti permette di sollevare un uovo senza romperlo o di notare che il bicchiere di carta del cacao caldo che hai ordinato dal distributore sta iniziando a scivolare.

Problemi nella replica delle prese umane

Ci sono stati molti tentativi di creare mani robotiche con la stessa versatilità degli arti umani. Tuttavia, tutti finora sono risultati insufficienti per diversi motivi. Tuttavia, i tentativi che hanno ottenuto i migliori risultati hanno utilizzato la robotica morbida.

I robot morbidi si differenziano dalla robotica tradizionale perché non hanno una struttura rigida. Questi dispositivi hanno visto un uso crescente in una varietà di compiti, tra cui il soccorso in caso di catastrofi e l’esplorazione mineraria, dove il loro design non conforme consente loro di modificare forma per passare attraverso spazi stretti. Purtroppo, questa mancanza di rigidità ha anche impedito ai robot morbidi di replicare gli arti umani.

Innanzitutto, ogni sensore aggiunto a un robot morbido flessibile compromette la sua capacità principale, la flessibilità. Inoltre, la maggior parte di questi sistemi è in grado solo di rilevare che il tocco è avvenuto. Questo approccio è ben lontano dalla enorme quantità di dati sensoriali che il tuo cervello elabora ogni volta che tocchi un oggetto.

Dettagli dello studio

Riconoscendo queste limitazioni, un gruppo di scienziati della Florida Atlantic University e di altre istituzioni leader ha pubblicato lo studio “Una mano protesica biomimetica naturale con sensazione tattile neuromorfica per una presa precisa e conforme“¹ su Science Advances. Il documento esamina un nuovo design di mano protesica ibrida che sfrutta giunti robotici morbidi, uno scheletro interno rigido e un sistema di sensori multistrato.

Design della mano

Gli ingegneri hanno creato un nuovo design di mano che replica le mani umane. Il sistema a più dita utilizza polimeri simili alla gomma per la creazione delle dita e del pollice opponibile. Il design sfrutta giunti delle dita morbidi e riempiti d’aria, azionati dai muscoli dell’avambraccio tramite elettromiografia. Questo approccio consente all’utilizzatore di controllarla come la propria mano reale.

Fonte – Science Advances

Dito ibrido biomimetico

Il design del dito biomimetico ibrido integra tre giunti robotici morbidi azionati indipendentemente. Questi giunti sono stati realizzati in silicone Dragon Skin 10 per simulare la pelle umana. Le dita presentano 14 giunti azionati indipendentemente, suddivisi come nella tua mano, con 3 in ciascuna dita principale e due nel pollice.

Gli scienziati hanno scelto di utilizzare reti pneumatiche per azionare i giunti del dito ibrido. In particolare, gli attuatori pressurizzano l’aria, che li gonfia, facendoli muovere di conseguenza. Questa strategia elimina la necessità di motori e attuatori aggiuntivi, riducendo costi e peso.

https://youtu.be/dnPrY7xA08c
La configurazione simile a quella umana degli attuatori morbidi con lo scheletro interno rigido fornisce più forza rispetto a un’opzione robotica morbida tradizionale. Pertanto, hanno determinato che gli attuatori pressurizzati forniscono una trasmissione diretta della forza all’oggetto manipolato in modo da applicare pressione precisa a aree specifiche per manipolare l’oggetto senza danneggiarlo.

Punta della mano protesica

La punta in silicone morbido ha una serie di sensori tattici multistrato che le consentono di percepire pressione e alte frequenze. È la parte più sensibile della mano ed è collegata ad altri sensori per fornire un’interpretazione approfondita dell’ambiente e dell’oggetto da manipolare. Come te, il robot può far scorrere la punta su una superficie per determinare molte caratteristiche della composizione di un oggetto e come deve essere gestito.

Scheletro

Al centro di questo approccio c’è la convinzione che un design ibrido incorpori una struttura scheletrica interna rigida stampata in 3D. Lo scheletro utilizzato dagli ingegneri è stato sviluppato impiegando acido polilattico (PLA). Offre stabilità, moltiplicazione della forza e supporto per i componenti principali della mano.

Sensori

Gli scienziati hanno scoperto che era sufficiente replicare tre strati di sensori tattici per ottenere prestazioni quasi umane. La loro disposizione fornisce feedback tattile affidabile in tempo reale al sistema, consentendogli di prendere decisioni complesse per determinare la composizione, la forza necessaria e l’approccio per manipolare con successo gli oggetti.

Strato esterno: Lo strato sensore esterno è stato progettato per funzionare come la tua epidermide. La tua pelle può percepire il più leggero tocco. Per realizzare questo compito, il team ha integrato uno strato di rilevamento piezoresistivo esterno sulla superficie della punta ibrida. Questo strato integra nove sensori tattici. Ogni sensore ha una dimensione totale di 4 mm2 ed è distanziato di 2,5 mm, fornendo copertura completa della punta.

Strato intermedio: L’area di rilevamento intermedia è stata costruita per funzionare come le terminazioni di Ruffini nel tuo corpo. Per realizzare questo compito, il team ha incorporato uno strato di rilevamento piezoresistivo. È notevole che i sensori piezoresistivi cambiano resistenza elettrica quando viene applicata una forza esterna.

Curiosamente, questo strato ha sei sensori che misurano 6 mm2. Il team ha posizionato questi sensori a 2,5 mm di distanza e li ha collocati in modo sfalsato rispetto allo strato sensore esterno per migliorare le capacità di ricezione tattile.

Strato interno: Gli ingegneri hanno progettato lo strato interno della mano per funzionare come i corpi di Pacini, rilevando vibrazioni ad alta frequenza e pressione transitoria dall’ambiente. È stato costruito utilizzando un trasduttore piezoelettrico da 10 mm collegato all’unghia. In particolare, si trova tra i componenti morbidi e rigidi della punta ibrida.

Ogni volta che vengono rilevate forze, genera una piccola tensione che consente al sistema di effettuare aggiustamenti e determinare il modo migliore per manipolare l’oggetto. Inoltre, utilizza l’unghia rigida per captare le vibrazioni delle superfici.

Algoritmi di apprendimento automatico

Tutti questi dati vengono inseriti in un algoritmo di ML che raccoglie, elabora e codifica neuromorficamente i dati prima di inviarli nuovamente all’appendice robotica. Il sistema può utilizzare risposte neuromorfiche in relazione al suo algoritmo proprietario di apprendimento automatico per classificare la texture.
Curiosamente, il sistema codifica neuromorficamente i dati relativi ai meccanorecettori della pelle umana usando il modello neuronale di Izhikevich. Questa strategia consente all’unità di fornire informazioni sensoriali tattili naturalistiche tramite stimolazione nervosa, una prima per la robotica ibrida.

La mano robotica sa cosa sta toccando

Questa strategia consente al braccio robotico di determinare cosa sta toccando. I segnali collegano il cervello e i nervi, permettendo all’utilizzatore di distinguere con facilità oggetti di varie forme e texture superficiali.

Test della mano protesica

Il test della mano protesica è iniziato con le singole dita. Ogni dito è stato testato e ogni strato sensoriale è stato valutato. Una volta che il team ha determinato che tutti i dispositivi funzionavano indipendentemente come previsto, sono stati combinati e la fase successiva di test è iniziata.
Come parte di questa fase di test della ricerca, gli ingegneri hanno collegato la mano al braccio robotico UR5. Da lì, il team ha iniziato a tentare di manipolare oggetti. In totale, sono stati selezionati 15 oggetti di uso quotidiano. Gli oggetti testati spaziavano da ananas, bottiglie d’acqua metalliche e giocattoli morbidi, fino a un bicchiere di carta pieno d’acqua.

Risultati e osservazioni

I risultati dei test hanno mostrato un reale potenziale per questa tecnologia. I test hanno fornito alcune indicazioni sulle sue capacità. In termini di flessibilità, il dito biomimetico ibrido ha raggiunto 127° di curvatura e un angolo di flessione di 230° senza punti di rottura.
Inoltre, il braccio robotico ha mostrato versatilità ed è stato in grado di regolare la presa al volo. In un caso, ha usato solo 3 dita per afferrare un bicchiere di carta per evitare di piegarlo e far fuoriuscire l’acqua. In modo impressionante, i sensori del braccio robotico hanno classificato gli oggetti in base al tocco con una precisione del 98,38%. Questo tasso ha superato sia le dita robotiche morbide che quelle protesiche rigide, offrendo una precisione simile a quella umana.

Benefici dei risultati

I benefici che questo studio porta sul mercato potrebbero migliorare la robotica. La tecnologia ibrida dimostrata qui potrebbe contribuire a migliorare la sicurezza in ambienti in cui robot e dipendenti lavorano fianco a fianco. Immagina di urtare il tuo collega robot e che si ritiri scusandosi.

Destrezza aumentata

Il braccio protesico aggiornato ha mostrato una grande destrezza rispetto ai predecessori. È stato in grado di svolgere compiti che né i robot morbidi né quelli rigidi potevano. In un esempio, è stato incaricato di afferrare una palla conformandosi intorno ad essa. Ha completato questo compito, impossibile per una protesi rigida.

Più naturale

Un altro grande beneficio di questo tipo di protesi è che sembra più naturale per il paziente. Le persone che hanno perso un arto superiore possono sentire di non poter reintegrarsi nelle loro attività quotidiane per paura che la protesi possa causare danni o lesioni. Questa tecnologia promette di consentire loro di interagire in sicurezza con i propri cari senza timore di ferirli.

Ricercatori dello studio sulla mano protesica

Lo studio sulla mano protesica è stato guidato da Wen-Yu Cheng della Florida Atlantic University. Altri ricercatori che hanno contribuito al progetto includono Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen e Arnav Gupta dell’University of Illinois Chicago.
Curiosamente, lo stesso team è stato il primo a introdurre la pelle elettronica nel settore della robotica nel 2018. Ora hanno ulteriormente sviluppato questa tecnologia per creare protesi capaci di fornire prestazioni umane. I loro piani includono l’ampliamento dei sistemi integrando più sensori, materiali migliori e una maggiore forza di presa.

Applicazioni reali e tempistica per la tecnologia delle mani protesiche

Questo progresso offre una promessa significativa per le persone con perdita di arto superiore, offrendo loro la capacità di interagire con l’ambiente in modo più naturale e sicuro. Le future protesi potrebbero integrare questa tecnologia e fornire risposte realistiche. La stessa tecnologia potrebbe anche contribuire a migliorare i robot chirurgici.
Sebbene attualmente sia nella fase di ricerca, tali tecnologie protesiche potrebbero diventare commercialmente disponibili entro i prossimi 5-10 anni, a seconda di ulteriori sviluppi e approvazioni normative. Ecco alcune altre applicazioni reali per questa tecnologia robotica morbida.

Industriale

Il settore industriale ha registrato un forte spostamento verso la robotica negli ultimi 5 anni. Questa ultima tecnologia potrebbe favorire ulteriormente l’adozione. I produttori cercano costantemente modi per integrare la robotica con i lavoratori umani per migliorare l’efficienza senza perdere la qualità.
Le caratteristiche robotiche ibride come quelle discusse in questo studio potrebbero lavorare accanto agli esseri umani con meno rischi. Potrebbero anche svolgere compiti tradizionalmente riservati agli umani, come l’ordinamento di frutta delicata o prodotti come la cristalleria senza causare danni.

Agricoltura

L’agricoltura è un altro ambito in cui i robot hanno trovato spazio. Questi dispositivi potrebbero aiutare a migliorare il raccolto monitorando la salute delle colture tramite sensori e garantendo che le colture mature vengano raccolte in tempo. In futuro, i robot morbidi potrebbero gestire gran parte del processo agricolo, dalla semina alla raccolta, fino alla selezione di colture buone e cattive.

Un’azienda innovativa leader nell’industria della robotica

Il settore della robotica continua a crescere man mano che più aziende e tecnologie vi entrano. Il futuro della robotica è promettente, e diverse aziende hanno consolidato una forte posizione sul mercato. Queste società hanno investito miliardi nella ricerca e sviluppo di robot più agili, capaci e duraturi. Ecco un’azienda che sta aprendo la strada nella robotica.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. è entrata nel mercato nel 2005, con l’obiettivo di migliorare il campo della tecnologia degli esoscheletri e dei dispositivi di riabilitazione robotica. Dalla sua nascita, l’azienda ha ottenuto numerosi contratti di alto livello focalizzati sullo sviluppo ulteriore dei suoi prodotti esoscheletro.

Gli esoscheletri sono robot indossati dagli esseri umani. Il loro design è pensato per integrare e migliorare i tuoi movimenti. Pertanto, potrebbero essere usati nelle fabbriche per aiutare a prevenire l’affaticamento o sul campo di battaglia per dare ai soldati una maggiore capacità di carico.

Ekso Holdings offre diverse soluzioni innovative progettate per migliorare la qualità della vita dei pazienti che hanno subito la perdita di arti. Questi prodotti, insieme al suo posizionamento e alla sua storia di mercato, rendono Ekso Bionics Holdings un’aggiunta intelligente al tuo portafoglio.

Ultime notizie su Ekso Bionics Holdings

Studio sulla mano protesica e il futuro della robotica ibrida

Questo studio dimostra come la natura possa aver già trovato la soluzione migliore per molti problemi di progettazione. Man mano che più ingegneri cercano di imitare la natura, i loro progetti robotici inaugureranno una nuova era di efficienza. Questa tecnologia potrebbe contribuire a garantire che i robot possano lavorare accanto agli esseri umani in sicurezza e fornire servizi aggiuntivi che migliorano sia la vita dei lavoratori sia i prodotti consegnati.

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Studi citati:

^{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). Una mano protesica biomimetica naturale con sensazione tattile neuromorfica per una presa precisa e conforme. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}