Avansert protesehånd etterligner menneskelig berøring i robotikkgjennombrudd

Et nylig gjennombrudd innen robotikk kan hjelpe amputerte med å gjenvinne noen av deres tapte evner. Det nye protesehånddesignet kombinerer lag med sensorer med en hybrid robotstruktur og en maskinlæringsalgoritme som leser nevromorfisk kodede signaler for å oppnå menneskelignende evner. Her er det du trenger å vite.

Vitenskapen bak grepet

Når du bøyer deg ned og plukker opp noe, kan det virke som om det skjer automatisk. Realiteten er at denne enkle handlingen, som virker ubetydelig, er en kompleks interaksjon mellom millioner av hudmekanoreseptorer, ditt myke vev, bein, ledd og hjerne.

Hånden din har fire primære taktile mekanoreseptorer kalt Merkel-celler, Meissner-korpuskler, Ruffini-ender og Pacinian-korpuskler. Det ytre laget av huden din har Merkel-celler som er designet for å reagere på lett berøring.

Deretter oppfatter Meissner-korpuskler lave frekvenser. Deretter Ruffini-ender som bestemmer deformasjon på overflater. Det siste laget, Pacinian-korpuskler, oppdager trykk og høyfrekvente vibrasjoner.

Det er denne blandingen av sensorer, bein og vev som gjør det mulig for mennesker å enkelt og raskt oppfatte ulike og komplekse overflater. Merk at denne strukturen gjør det mulig å plukke opp et egg uten å knuse det, eller å merke at papirkoppen med varm kakao du bestilte fra automaten begynner å skli.

Problemer med å replikere menneskelige grep

Det har vært mange forsøk på å lage robothender med samme allsidighet som menneskelige lemmer. Imidlertid har alle hittil falt kort på flere grunner. De forsøkene som har oppnådd de beste resultatene har benyttet myk robotikk.

Myke roboter skiller seg fra tradisjonell robotikk ved at de mangler en hard struktur. Disse enhetene har fått økt bruk i en rekke oppgaver, inkludert katastrofehjelp og mineralutvinning, hvor deres ikke‑konforme design gjør at de kan endre form for å passe gjennom trange rom. Dessverre er det denne mangelen på stivhet som også har gjort at myke roboter ikke klarer å replikere menneskelige lemmer.

For det første reduserer hver sensor du legger til en fleksibel myk robot dens primære evne, fleksibilitet. I tillegg er de fleste av disse systemene kun i stand til å oppdage at berøring har skjedd. Denne tilnærmingen er langt fra den enorme mengden sensorisk data hjernen din behandler hver gang du berører et objekt.

Detaljer om studien

Med tanke på disse begrensningene publiserte en gruppe forskere fra Florida Atlantic University og andre ledende institusjoner studien “En naturlig biomimetisk protesehånd med nevromorfisk taktil sansing for presis og ettergiven gripe“¹ i Science Advances. Artikkelen undersøker et nytt hybrid protesehånddesign som utnytter myke robotledd, et stivt endoskjelett og et flerlags sensorsystem.

Hånddesign

Ingenørene laget et nytt hånddesign som etterligner menneskelige hender. Multi‑finger‑systemet bruker gummilignende polymerer for å lage fingrene og en motsatt tommel. Designet utnytter myke, luftfylte fingerledd som aktiveres med underarmens muskler via elektromyografi. Denne tilnærmingen gjør at brukeren kan kontrollere den som sin ekte hånd.

Kilde – Science Advances

Hybrid biomimetisk finger

Det hybride biometriske fingerdesignet integrerer tre uavhengig aktiverte myke robotledd. Disse leddene er laget av Dragon Skin 10-silikon for å simulere menneskelig hud. Fingrene har 14 uavhengig aktiverte ledd fordelt som i hånden din, med 3 i hver hovedfinger og to i tommelen.

Forskerne valgte å bruke pneumatiske nettverk for å aktivere de hybride fingerleddene. Spesielt pressuriserer aktuatorene luft, som blåser dem opp og får dem til å bevege seg i samsvar. Denne strategien eliminerer behovet for ekstra motorer og aktuatorer, og reduserer kostnader og vekt.

Den menneskelignende konfigurasjonen av de myke aktuatorene med det stive endoskjelettet gir mer kraft enn et tradisjonelt mykt robotalternativ. Dermed fastslo de at de pressuriserte aktuatorene gir direkte kraftoverføring til det manipulerte objektet på en måte som gjør det mulig å levere presist trykk på spesifikke områder for å manipulere objektet uten skade.

Protesehåndens fingertupp

Den myke silikonfingertuppen har et array av flerlags taktile sensorer som gjør den i stand til å føle trykk og høy frekvens. Den er den mest følsomme delen av hånden og er koblet til andre sensorer for å gi en grundig tolkning av miljøet og objektet som skal manipuleres. Som deg kan roboten gli fingertuppen over en overflate for å fastslå mange egenskaper ved et objekts sammensetning og hvordan det må håndteres.

Skjelett

Kjernen i denne tilnærmingen er troen på at et hybriddesign inkluderer en stiv 3D‑printet endoskjelettstruktur. Skjelettet som ingeniørene brukte ble utviklet ved hjelp av polylaktisk syre (PLA). Det gir stabilitet, kraftmultiplikasjon og støtte for håndens kjernekomponenter.

Sensorer

Forskerne fant at de bare trengte å replikere tre lag med taktile sensorer for å oppnå nesten menneskelig ytelse. Oppsettet gir pålitelig taktil tilbakemelding i sanntid til systemet, slik at det kan ta komplekse beslutninger om sammensetning, nødvendig kraft og tilnærming for å manipulere gjenstander vellykket.

Ytre lag: Det ytre sensorlaget ble designet for å fungere som ditt epidermis. Huden din kan merke den minste berøring. For å oppnå dette integrerte teamet et ytre piezoresistivt sensorlager på overflaten av den hybride fingertuppen. Dette laget inneholder ni taktile sensorer. Hver sensor har kun en total størrelse på 4 mm² og er plassert 2,5 mm fra hverandre, noe som gir full dekning av fingertuppen.

Mellomlag: Det midtre sensorområdet ble bygget for å fungere som Ruffini-ender i kroppen din. For å oppnå dette, embeddet teamet et piezoresistivt sensorlager. Merk at piezoresistive sensorer endrer elektrisk motstand når en ekstern kraft påføres dem.

Interessant nok har dette laget seks sensorer som måler 6 mm². Teamet plasserte disse sensorene 2,5 mm fra hverandre og satte dem i en forskjøvet posisjon i forhold til det ytre sensorlaget for å forbedre taktile mottakelsesegenskaper.

Indre lag: Ingenørene designet det indre laget av hånden for å fungere som Pacinian-korpuskler, som oppdager høyfrekvente vibrasjoner og kortvarig trykk fra miljøet. Det ble konstruert ved bruk av en 10 mm piezoelektrisk transduser festet til neglene. Spesielt sitter den mellom de myke og stive komponentene i den hybride fingertuppen.

Når krefter oppdages, genererer den en liten spenning som gjør at systemet kan justere og bestemme den beste måten å manipulere objektet på. I tillegg utnytter den den stive neglen til å plukke opp vibrasjoner i overflater.

Maskinlæringsalgoritmer

All denne data mates inn i en ML‑algoritme som samler, prosesserer og nevromorfisk koder dataene før de sendes tilbake til den robotiske tilleggsdelen. Systemet kan bruke nevromorfe responser i forhold til sin proprietære maskinlæringsalgoritme for å klassifisere tekstur.

Interessant nok koder systemet data nevromorfisk i forhold til mekanoreseptorene i menneskelig hud ved bruk av Izhikevich-neuronmodellen. Denne strategien gjør at enheten kan levere naturlig taktil sensorisk informasjon gjennom nervestimulering, noe som er en første gang for hybridrobotikk.

Robothånden vet hva den berører

Denne strategien gjør det mulig for den robotiske armen å bestemme hva den berører. Signalene kobler hjernen og nervene, slik at brukeren kan skille mellom objekter med ulike former og overflateteksturer med letthet.

Testing av protesehånd

Testing av protesehånden startet med individuelle fingre. Hver finger ble testet, og hvert sensorlag gjennomgikk evaluering. Når teamet fastslo at alle enheter fungerte uavhengig som planlagt, ble de kombinert, og neste testfase begynte.

Som en del av denne testfasen i forskningen festet ingeniørene hånden til UR5‑robotarmen. Derfra begynte teamet å forsøke å manipulere gjenstander. Totalt ble 15 hverdagslige gjenstander valgt. De testede gjenstandene varierte fra ananas, metallvannflasker og myke leker, helt til en papirkopp fylt med vann.

Resultater og observasjoner

Testresultatene viste reell lovende for denne teknologien. Testingen ga noe innsikt i dens evner. Når det gjelder fleksibilitet, oppnådde den hybride biomimetiske fingeren 127° kurvatur og en 230° bøyningsvinkel uten feilpunkter.

I tillegg viste robotarmen allsidighet og klarte å justere grepet i sanntid. I ett tilfelle brukte den kun 3 fingre for å gripe en papirkopp for å unngå å bøye den og søle vannet. Imponerende klassifiserte robotarmens sensorer gjenstander basert på berøring med 98,38 % nøyaktighet. Denne raten overgikk både myke robot‑ og stive protesefingre, og leverte menneskelignende nøyaktighet.

Fordeler med funnene

Fordelene denne studien bringer til markedet kan endre robotikk til det bedre. Den hybride teknologien som demonstreres her kan bidra til å forbedre sikkerheten i miljøer hvor roboter og ansatte jobber side om side. Forestill deg å støte borti din robotkollega, og at den trekker seg tilbake og beklager.

Økt fingerferdighet

Den oppgraderte protesearmen viste høy fingerferdighet sammenlignet med forgjengere. Den kunne utføre oppgaver som både myke og stive roboter ikke kunne. I ett eksempel ble den bedt om å gripe en ball ved å tilpasse seg rundt den. Den fullførte denne oppgaven, som ville vært umulig for en stiv protese.

Mer naturlig

En annen stor fordel med denne typen protese er at den føles mer naturlig for pasienten. Personer som lider av tap av øvre lem kan føle at de ikke kan integrere seg i sine vanlige oppgaver på grunn av frykt for at protesen kan forårsake skade eller skade. Denne teknologien lover å la dem trygt samhandle med sine kjære uten bekymring for å skade dem.

Forskere i protesehåndstudien

Protesehåndstudien ble ledet av Wen-Yu Cheng fra Florida Atlantic University. Andre forskere som bidro til prosjektet inkluderer Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen og Arnav Gupta fra University of Illinois Chicago.

Interessant nok var dette samme teamet de første som introduserte elektronisk hud til robotikksektoren i 2018. Nå har de bygget videre på denne teknologien for å lage kapable proteser som gir menneskelig ytelse. Planene deres inkluderer å videreutvikle systemene ved å integrere flere sensorer, bedre materialer og økt gripe‑kraft.

Virkelige anvendelser og tidslinje for protesehåndteknologi

Dette gjennombruddet gir betydelig løfte for personer med tap av øvre lem, ved å gi dem muligheten til å samhandle med miljøet på en mer naturlig og sikker måte. Fremtidige proteser kan integrere denne teknologien og gi livaktige responser. Den samme teknologien kan også bidra til å forbedre kirurgiske roboter.

Selv om den for tiden er i forskningsfasen, kan slike proteseteknologier bli kommersielt tilgjengelige innen de neste 5 til 10 år, avhengig av videre utvikling og regulatoriske godkjenninger. Her er noen andre virkelige anvendelser for denne myke robotgip‑teknologien.

Industriell

Den industrielle sektoren har sett en sterk overgang mot robotikk de siste 5 årene. Denne nyeste teknologien kan bidra til å drive adopsjonen videre. Produsenter ser kontinuerlig etter måter å integrere robotikk med menneskelige arbeidere for å forbedre effektiviteten uten å miste kvalitet.

Hybride robotfunksjoner som den som diskuteres i denne studien kan arbeide sammen med mennesker med mindre risiko. De kan også utføre tradisjonelt kun menneskelige oppgaver som sortering av delikate frukter eller produkter som glass uten å forårsake skade.

Landbruk

Landbruk er et annet område hvor roboter har funnet sin plass. Disse enhetene kan bidra til å forbedre innhøstingen ved å overvåke avlingens helse via sensorer og sikre at modne avlinger blir plukket i tide. I fremtiden kan myke roboter håndtere store deler av landbruksprosessen, fra såing til plukking til sortering av gode og dårlige avlinger.

Et innovativt selskap som leder robotikkindustrien

Robotikksektoren fortsetter å vokse etter hvert som flere selskaper og teknologier kommer inn. Fremtiden for robotikk er lys, og flere selskaper har sikret seg en sterk posisjon i markedet. Disse selskapene har investert milliarder i forskning og utvikling av mer smidige, kapable og langvarige roboter. Her er ett selskap som er i forkant av robotikk.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. kom inn på markedet i 2005, med mål om å forbedre feltet for eksoskjelettteknologi og robotrehabiliteringsenheter. Siden lanseringen har selskapet sikret en rekke høytstående kontrakter med fokus på videreutvikling av sine eksoskjelettprodukter.

Eksoskjeletter er roboter som bæres av mennesker. Designet er ment å supplere og forbedre bevegelsene dine. Som sådan kan de brukes i fabrikker for å forebygge tretthet eller på en slagmark for å gi soldater større bærekapasitet.

Ekso Holdings tilbyr flere innovative løsninger designet for å forbedre livskvaliteten til pasienter som lider av tap av lemmer. Disse produktene, sammen med selskapets posisjonering og markedshistorie, gjør Ekso Bionics Holdings til et smart tillegg til porteføljen din.

Siste nytt om Ekso Bionics Holdings

Protesehåndstudie og fremtiden for hybridrobotikk

Denne studien viser hvordan naturen kanskje allerede har funnet den beste løsningen på mange designproblemer. Etter hvert som flere ingeniører søker å etterligne naturen, vil deres robotdesign innlede en ny æra av effektivitet. Denne teknologien kan bidra til å sikre at roboter kan arbeide trygt sammen med mennesker og tilby tilleggstjenester som forbedrer både arbeidernes liv og produktene som leveres.

Lær om andre kule robotikkgjennombrudd Her.

Studier referert:

^{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). En naturlig biomimetisk protesehånd med nevromorfisk taktil sansing for presis og ettergiven gripe. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}