Geavanceerde prothetische hand bootst menselijk gevoel in robotica doorbraak

Onderzoekers bouwden een experimentele robothand met buigzame gewrichten, een stevige interne structuur en tastsensoren. Het doel is om toekomstige handprothesen beter te laten grijpen. De studie omvatte geen klinische proef met mensen met een amputatie en toont niet aan dat een gebruiker aanraking via het zenuwstelsel kan voelen.

Waarom is de menselijke hand moeilijk na te bootsen?

In een menselijke hand werken botten, spieren, zachte weefsels en tastreceptoren samen. Daardoor kunnen we een kwetsbaar voorwerp vasthouden zonder het te breken en veranderingen in druk of trillingen opmerken. Een starre robotgrijper biedt steun maar past zich minder goed aan de vorm van een voorwerp aan. Een heel zachte grijper vormt zich beter, maar kan te weinig stevigheid of tastinformatie bieden.

De huid heeft receptoren die op verschillende vormen van druk, rek en trillingen reageren. De onderzoekers bootsten niet het hele biologische systeem na. Zij maakten een sensor met meerdere lagen die meer gegevens verzamelt dan een eenvoudige aanraakschakelaar.

De experimentele hand

De studie in Science Advances beschrijft vingers met buigzame siliconen gewrichten en een stijve kern. Luchtdruk beweegt de gewrichten. Zo kunnen de vingers zich om een voorwerp vormen terwijl de kern de greep ondersteunt.

De sensor in de vingertop heeft drie lagen. De elektrische weerstand van de buitenste en middelste laag verandert bij druk. In de binnenste laag detecteert een piëzo-elektrisch onderdeel snelle veranderingen en trillingen. Een rekenmodel combineert de signalen om oppervlaktetexturen te classificeren.

De onderzoekers gebruikten neuromorfe codering: een manier om gegevens weer te geven die op zenuwsignalen is geïnspireerd. Dit betekent niet dat de signalen in menselijke zenuwen zijn ingebracht of dat een patiënt zijn tastzin terugkreeg.

Wat lieten de proeven zien?

Het team testte vingers en sensorlagen afzonderlijk en monteerde de hand vervolgens op een UR5-robotarm. De hand greep voorwerpen met uiteenlopende vormen en stevigheid, waaronder een waterfles, knuffel en papieren beker. De buigzame structuur hielp de greep aan te passen.

De hybride vinger met meerlaagse sensor behaalde in de onderzochte opzet gemiddeld 98,38% nauwkeurigheid bij het classificeren van 26 geteste texturen. Dit percentage staat niet voor herkenning van alle mogelijke voorwerpen en evenmin voor herstelde tastzin bij een patiënt. Volledig zachte en volledig stijve vergelijkingsvingers presteerden in deze specifieke taak minder goed.

Mogelijke toepassingen en beperkingen

De aanpak kan nuttig zijn voor onderzoek naar armprothesen, het hanteren van kwetsbare producten en bijvoorbeeld oogstrobots. Voordat hij een prothese voor dagelijks gebruik kan worden, zijn tests nodig van comfort, duurzaamheid, besturing, gewicht, stroomverbruik, veiligheid en werkelijke tastfeedback voor de mens.

Een eerdere claim over een zekere marktintroductie binnen vijf tot tien jaar volgt niet uit de studie. Het tijdpad hangt af van vervolgonderzoek, eventuele klinische proeven en goedkeuringen.

Bedrijven en beleggen

Ekso Bionics ontwikkelt draagbare exoskeletten en revalidatierobots. Deze universitaire studie laat niet zien dat het bedrijf de betreffende sensor al gebruikt of dat zijn omzet daardoor zal stijgen.

Conclusie

Het prototype toont dat een combinatie van zachte en stijve materialen en verschillende sensorlagen het grijpen en de classificatie van texturen in het laboratorium kan verbeteren. Het is een stap in het onderzoek naar geavanceerdere prothesen, geen kant-en-klare hand die de menselijke tastzin herstelt.