Avancerad proteshand efterliknar mänsklig beröring i robotikgenombrott

Forskare har tagit fram en experimentell robotisk hand som kombinerar mjuka leder, ett styvt inre skelett och beröringssensorer. Målet är att förbättra greppförmågan hos framtida handproteser. Studien är ingen klinisk prövning med personer som förlorat en hand, och den visar inte att en användare redan kan känna beröring genom sina nerver.

Varför är det svårt att efterlikna människans grepp?

En mänsklig hand samverkar genom skelett, mjukvävnad, muskler och flera typer av känselreceptorer. Därför kan vi hålla i ett skört föremål utan att krossa det och märka ändringar i tryck eller vibration. Styva robotgripare ger stadga men anpassar sig inte alltid väl till föremålets form. Mycket mjuka gripare följer formen men kan ha lägre kraft eller ge mindre information om beröringen.

I huden reagerar bland annat Merkels celler och Meissners, Ruffinis och Pacinis känselkroppar på olika slags tryck, deformation och vibration. Forskarna kopierade inte hela detta biologiska system. De byggde i stället en sensor med flera lager som kan registrera fler egenskaper hos kontakten än en enkel beröringsbrytare.

Så byggdes forskningsprototypen

Studien i Science Advances beskriver fingrar med böjliga silikonleder och ett styvt inre skelett. Lufttryck styr de mjuka lederna. Kombinationen gör att fingrarna kan följa ett föremåls form samtidigt som skelettet ger stöd för greppet.

I fingertoppen finns tre sensorlager. Det yttre och mellersta lagret innehåller sensorer vars elektriska motstånd ändras vid tryck. Det inre använder ett piezoelektriskt element för snabba förändringar och vibrationer. Ett beräkningssystem kombinerar signalerna för att klassificera ytornas struktur.

Forskarna använder neuromorf kodning, ett sätt att representera mätvärden som efterliknar vissa drag hos nervsignaler. Det betyder inte att signalerna i detta försök skickades till nerver hos en människa eller att en patient fick tillbaka känseln.

Vad visade testerna?

Forskarna testade först fingrar och sensorlager var för sig och monterade sedan handen på en UR5-robotarm. De lät systemet greppa vardagsföremål med olika form och styvhet, bland annat en vattenbehållare, en mjuk leksak och en pappersmugg. De mjuka delarna hjälpte greppet att anpassa sig utan att föremålet lätt skadades.

Ett enskilt hybridfinger med sensorlager nådde en genomsnittlig träffsäkerhet på 98,38 procent när det klassificerade 26 testade ytstrukturer enligt studiens utvärdering. Siffran gäller inte igenkänning av alla möjliga föremål och är inte ett mått på en patients upplevda känsel. Jämförda helt mjuka och helt styva fingrar presterade sämre i just detta test.

Möjliga användningar och begränsningar

Konstruktionen kan bidra till forskning om armproteser, industriella gripare för ömtåliga varor och robotar som plockar grödor. För att bli en protes för vardagsbruk krävs fler tester av komfort, hållbarhet, styrning, vikt, energibehov, säkerhet och verklig känselåterkoppling hos människor.

Den tidigare artikelns påstående att sådana proteser säkert når marknaden inom fem till tio år stöds inte av försöken. Utvecklingstiden beror på fortsatt forskning, kliniska studier och nödvändiga godkännanden.

Företag och investeringar

Ekso Bionics arbetar med bärbara exoskelett och robotteknik för rehabilitering. Den akademiska studien visar inte att bolaget redan använder just denna sensor eller att dess intäkter kommer att öka till följd av den. Ett investeringsbeslut bör utgå från företagets faktiska produkter, ekonomiska rapporter och risker.

Slutsats

Prototypen visar att mjuka och styva material tillsammans med flera sensorlager kan förbättra grepp och klassificering av ytstrukturer i laboratoriet. Det är ett steg framåt för protesforskningen, men ännu ingen färdig handprotes som återställer människans känsel.