Mão Protética Avançada Imita o Toque Humano em Avanço da Robótica

A recente avanço na robótica pode ajudar amputados a recuperar algumas de suas capacidades perdidas. O novo design de mão protética combina camadas de sensores com uma estrutura robótica híbrida e um algoritmo de aprendizado de máquina que lê sinais codificados neuromorficamente para alcançar capacidades semelhantes às humanas. Veja o que você precisa saber.

A Ciência da Preensão

Quando você se abaixa e pega algo, pode parecer que isso acontece automaticamente. A realidade é que essa ação simples, que parece nada, é uma interação complexa entre milhões de mecanorreceptores da pele, seus tecidos moles, ossos,  articulações e cérebro.

Sua mão possui quatro mecanorreceptores táteis principais chamados células de Merkel, corpúsculos de Meissner, terminações de Ruffini e corpúsculos de Pacini. A camada externa da sua pele contém células de Merkel, projetadas para responder ao toque leve.

Em seguida, os corpúsculos de Meissner detectam baixas frequências. Seguem-se as terminações de Ruffini, que determinam a deformação nas superfícies. A camada final, os corpúsculos de Pacini, detecta pressão e vibrações de alta frequência.

É essa combinação de sensores, ossos e tecidos que permite aos humanos perceber de forma fácil e rápida superfícies diversas e complexas. Notavelmente, essa estrutura permite que você pegue um ovo sem quebrá‑lo ou perceba que o copo de papel com chocolate quente que você comprou na máquina está começando a escorregar.

Problemas ao Replicar Preensões Humanas

Houve muitas tentativas de criar mãos robóticas com a mesma versatilidade dos membros humanos. No entanto, todas ficaram aquém até o momento por várias razões. Contudo, as tentativas que obtiveram os melhores resultados utilizaram robótica macia.

Robôs macios diferem da robótica tradicional por não possuírem uma estrutura rígida. Esses dispositivos têm sido cada vez mais usados em diversas tarefas, incluindo ajuda em desastres e exploração mineral, onde seu design não conformista permite que alterem a forma para passar por espaços apertados. Infelizmente, essa falta de rigidez também fez com que os robôs macios não conseguissem replicar os membros humanos.

Primeiro, cada sensor que você adiciona a um robô macio flexível compromete sua capacidade principal, a flexibilidade. Além disso, a maioria desses sistemas só consegue detectar que o toque ocorreu. Essa abordagem está longe da enorme quantidade de dados sensoriais que seu cérebro processa toda vez que você toca um objeto.

Detalhes do Estudo

Reconhecendo essas limitações, um grupo de cientistas da Florida Atlantic University e de outras instituições de destaque publicou o estudo “A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping“¹ na Science Advances. O artigo investiga um novo design de mão protética híbrida que utiliza articulações robóticas macias, um endoesqueleto rígido e um sistema de sensores em múltiplas camadas.

Design da Mão

Os engenheiros criaram um novo design de mão que replica as mãos humanas. O sistema de múltiplos dedos usa polímeros semelhantes à borracha para a criação dos dedos e do polegar opositor. O design aproveita articulações de dedo macias, preenchidas com ar, que são acionadas pelos músculos do antebraço via eletromiografia. Essa abordagem permite que o usuário a controle como sua mão real.

Fonte – Science Advances

Dedo Biomimético Híbrido

O design do dedo biomimético híbrido integra três articulações robóticas macias acionadas independentemente. Essas articulações foram feitas de silicone Dragon Skin 10 para simular a pele humana. Os dedos apresentam 14 articulações acionadas independentemente, distribuídas como na sua mão, com 3 em cada dedo principal e duas no polegar.

Os cientistas optaram por utilizar redes pneumáticas para acionar as articulações do dedo híbrido. Especificamente, os atuadores pressurizam ar, que os infla, fazendo‑os mover‑se conforme necessário. Essa estratégia elimina a necessidade de motores e atuadores adicionais, reduzindo custos e peso.

A configuração semelhante à humana dos atuadores macios com o endoesqueleto rígido fornece mais força do que uma opção robótica macia tradicional. Dessa forma, eles determinaram que os atuadores pressurizados fornecem transmissão direta de força ao objeto manipulado, permitindo aplicar pressão precisa em áreas específicas para manipular o objeto sem causar danos.

Ponta do Dedo da Mão Protética

A ponta de silicone macio possui uma matriz de sensores táteis em múltiplas camadas que lhe permitem detectar pressão e alta frequência. É a parte mais sensível da mão e está conectada a outros sensores para fornecer uma interpretação aprofundada do ambiente e do objeto a ser manipulado. Assim como você, o robô pode passar a ponta do dedo sobre uma superfície para determinar diversas características da composição do item e como ele deve ser manuseado.

Esqueleto

No cerne dessa abordagem está a crença de que um design híbrido incorpora uma estrutura endoesquelética rígida impressa em 3D. O esqueleto usado pelos engenheiros foi desenvolvido utilizando ácido polilático (PLA). Ele oferece estabilidade, multiplicação de força e suporte para os componentes centrais da mão.

Sensores

Os cientistas descobriram que precisavam replicar apenas três camadas de sensores táteis para alcançar um desempenho quase humano. Seu layout fornece feedback tátil confiável em tempo real ao sistema, permitindo que ele tome decisões complexas para determinar a composição, a força necessária e a abordagem para manipular itens com sucesso.

Camada Externa: A camada externa de sensores foi projetada para operar como sua epiderme. Sua pele pode perceber o menor toque. Para cumprir essa tarefa, a equipe integrou uma camada de detecção piezoresistiva externa na superfície da ponta híbrida. Essa camada integra nove sensores táteis. Cada sensor tem um tamanho total de 4 mm2 e está espaçado 2.5 mm, proporcionando cobertura total da ponta do dedo.

Camada Média: A área de detecção média foi construída para operar como as terminações de Ruffini em seu corpo. Para cumprir essa tarefa, a equipe incorporou uma camada de detecção piezoresistiva. Notavelmente, os sensores piezoresistivos alteram a resistência elétrica quando uma força externa é aplicada a eles.

Curiosamente, esta camada possui seis sensores que medem 6 mm2. A equipe espaçou esses sensores a 2.5 mm de distância e os posicionou de forma deslocada em relação à camada externa de sensores para melhorar as capacidades de recepção tátil.

Camada Interna: Os engenheiros projetaram a camada interna da mão para operar como os corpúsculos de Pacini, detectando vibrações de alta frequência e pressão transitória do ambiente. Foi construída usando um transdutor piezoelétrico de 10 mm anexado à unha. Especificamente, ele fica entre os componentes macios e rígidos da ponta híbrida.

Sempre que forças são detectadas, ele gera uma pequena voltagem que permite ao sistema fazer ajustes e determinar a melhor forma de manipular o objeto. Além disso, utiliza a unha rígida para captar vibrações nas superfícies.

Algoritmos de Aprendizado de Máquina

Todos esses dados são alimentados em um algoritmo de ML que coleta, processa e codifica neuromorficamente os dados antes de enviá‑los de volta ao apêndice robótico. O sistema pode utilizar respostas neuromórficas em relação ao seu algoritmo proprietário de aprendizado de máquina para classificar texturas.

Curiosamente, o sistema codifica neuromorficamente os dados em relação aos mecanorreceptores da pele humana usando a estrutura do modelo de neurônio de Izhikevich. Essa estratégia permite que a unidade forneça informações sensoriais táteis naturalistas por meio de estimulação nervosa, algo inédito na robótica híbrida.

A Mão Robótica Sabe o Que Está Tocando

Essa estratégia permite que o braço robótico determine o que está tocando. Os sinais conectam o cérebro e os nervos, permitindo que o usuário distinga objetos de várias formas e texturas de superfície com facilidade.

Teste da Mão Protética

O teste da mão protética começou com dedos individuais. Cada dedo foi testado, e cada camada sensorial passou por avaliação. Quando a equipe determinou que todos os dispositivos operavam de forma independente conforme planejado, eles foram combinados e a próxima fase de testes começou.

Como parte dessa fase de testes da pesquisa, os engenheiros prenderam a mão ao braço robótico UR5. A partir daí, a equipe começou a tentar manipular objetos. No total, foram selecionados 15 itens do cotidiano. Os itens testados variaram de abacaxis, garrafas de água de metal e brinquedos macios, até um copo de papel cheio de água.

Resultados e Observações

Os resultados dos testes mostraram grande promessa para essa tecnologia. Os testes forneceram algumas percepções sobre suas capacidades. Em termos de flexibilidade, o dedo biomimético híbrido alcançou 127° de curvatura e um ângulo de flexão de 230° sem pontos de falha.

Além disso, o braço robótico demonstrou versatilidade e foi capaz de ajustar sua preensão em tempo real. Em um caso, ele usou apenas 3 dedos para segurar um copo de papel, evitando dobrá‑lo e derramar a água. De forma impressionante, os sensores do braço robótico classificaram itens com base no toque com 98,38% de precisão. Essa taxa superou tanto os dedos robóticos macios quanto os protéticos rígidos, proporcionando precisão semelhante à humana.

Benefícios das Descobertas

Os benefícios que este estudo traz ao mercado podem mudar a robótica para melhor. A tecnologia híbrida demonstrada aqui pode ajudar a melhorar a segurança em ambientes onde robôs e funcionários trabalham lado a lado. Imagine esbarrar no seu colega robô e ele recuar e pedir desculpas.

Destreza Aumentada

O braço protético aprimorado mostrou alta destreza em comparação com os predecessores. Ele pôde realizar tarefas que tanto robôs macios quanto rígidos não conseguiam. Em um exemplo, foi encarregado de segurar uma bola envolvendo‑a. Ele completou essa tarefa, que seria impossível para uma prótese rígida.

Mais Natural

Outro grande benefício desse estilo de prótese é que ela parece mais natural para o paciente. Pessoas que sofreram perda de membros superiores podem sentir que não conseguem reintegrar suas tarefas normais devido ao medo de que a prótese cause dano ou lesão. Essa tecnologia promete permitir que elas interajam com segurança com seus entes queridos sem preocupação de machucá‑los.

Pesquisadores do Estudo da Mão Protética

O estudo da mão protética foi liderado por Wen‑Yu Cheng, da Florida Atlantic University. Outros pesquisadores que contribuíram para o projeto incluem Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen e Arnav Gupta, da University of Illinois Chicago.

Curiosamente, essa mesma equipe foi a primeira a introduzir pele eletrônica no setor de robótica em 2018. Agora, eles avançaram ainda mais nessa tecnologia para criar próteses capazes que oferecem desempenho humano. Seus planos incluem aprimorar seus sistemas integrando mais sensores, materiais melhores e maior força de preensão.

Aplicações no Mundo Real & Cronograma para a Tecnologia de Mão Protética

Esse avanço tem grande promessa para indivíduos com perda de membros superiores, oferecendo-lhes a capacidade de interagir com o ambiente de forma mais natural e segura. Próteses futuras podem integrar essa tecnologia e fornecer respostas semelhantes às da vida real. A mesma tecnologia também pode ajudar a melhorar robôs cirúrgicos.

Embora atualmente esteja na fase de pesquisa, essas tecnologias protéticas podem se tornar comercialmente disponíveis dentro de 5 a 10 anos, dependendo de desenvolvimentos adicionais e aprovações regulatórias. Aqui estão algumas outras aplicações no mundo real para essa tecnologia de robótica macia.

Industrial

O setor industrial tem observado uma forte mudança em direção à robótica nos últimos 5 anos. Essa tecnologia mais recente pode ajudar a impulsionar ainda mais a adoção. Os fabricantes estão constantemente buscando maneiras de integrar robótica com trabalhadores humanos para melhorar a eficiência sem perder a qualidade.

Recursos robóticos híbridos como o discutido neste estudo podem trabalhar ao lado de humanos com menos risco. Eles também podem realizar tarefas tradicionalmente exclusivas de humanos, como classificar frutas delicadas ou produtos como vidraria, sem causar danos.

Agrícola

A agricultura é outra área onde os robôs encontraram seu espaço. Esses dispositivos podem ajudar a melhorar a colheita monitorando a saúde das plantações via sensores e garantindo que as colheitas maduras sejam colhidas em tempo hábil. No futuro, robôs macios podem assumir grande parte do processo agrícola, desde o plantio até a colheita e a classificação de culturas boas e ruins.

Uma Empresa Inovadora Liderando a Indústria de Robótica

O setor de robótica continua a crescer à medida que mais empresas e tecnologias entram nele. O futuro da robótica é promissor, e várias empresas consolidaram posições fortes no mercado. Essas companhias investiram bilhões em pesquisa e desenvolvimento de robôs mais ágeis, capazes e duradouros. Aqui está uma empresa que está na vanguarda da robótica.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. entrou no mercado em 2005, buscando aprimorar o campo da tecnologia de exoesqueletos e dispositivos de reabilitação robótica. Desde seu lançamento, a empresa garantiu inúmeros contratos de alto nível focados no desenvolvimento adicional de seus produtos de exoesqueleto.

Exoesqueletos são robôs que são usados por humanos. Seu design tem o objetivo de suplementar e melhorar seus movimentos. Dessa forma, eles podem ser usados em fábricas para ajudar a prevenir fadiga ou em campos de batalha para dar aos soldados maior capacidade de carga.

Ekso Holdings oferece várias soluções inovadoras projetadas para melhorar a qualidade de vida de pacientes que sofrem perda de membros. Esses produtos, juntamente com seu posicionamento e histórico de mercado, tornam a Ekso Bionics Holdings uma adição inteligente ao seu portfólio.

Últimas Notícias sobre Ekso Bionics Holdings

Estudo da Mão Protética e o Futuro da Robótica Híbrida

Este estudo demonstra como a natureza pode já ter encontrado a melhor solução para muitos problemas de design. À medida que mais engenheiros buscam imitar a natureza, seus projetos robóticos inaugurarão uma nova era de eficiência. Essa tecnologia pode ajudar a garantir que robôs trabalhem ao lado de humanos com segurança e ofereçam serviços adicionais que melhorem tanto a vida dos trabalhadores quanto os produtos entregues.

Saiba mais sobre outras Inovações em Robótica Aqui.

Estudos Referenciados:

^{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). A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}