Gelişmiş Protez El, Robotikte Çığır Açan İnsan Dokunuşunu Taklit Ediyor

Robotikte yeni bir atılım, ampute kişilerin kaybettikleri yeteneklerinin bir kısmını geri kazanmalarına yardımcı olabilir. Yeni protez el tasarımı, insan benzeri yetenekler elde etmek için sensör katmanlarını hibrit bir robotik yapı ve nöromorfik olarak kodlanmış sinyalleri okuyan makine öğrenimi algoritması ile birleştiriyor. İşte bilmeniz gerekenler.

Kavrama Bilimi

Uzanıp bir şey aldığınızda, bu otomatik olarak gerçekleşiyormuş gibi görünebilir. Gerçek şu ki, hiçbir şey yokmuş gibi görünen bu basit eylem, milyonlarca deri mekanoreseptörü, yumuşak dokunuz, kemikleriniz, eklemleriniz ve beyniniz arasındaki karmaşık bir etkileşimdir.

Elinizde Merkel hücreleri, Meissner korpüskülleri, Ruffini uçları ve Pacinian korpüskülleri adı verilen dört birincil dokunsal mekanoreseptör vardır. Cildinizin dış tabakasında hafif dokunuşa yanıt vermek üzere tasarlanmış Merkel hücreleri bulunur.

Ardından, Meissner korpüskülleri düşük frekansları algılar. Bunu yüzeylerdeki deformasyonu belirleyen Ruffini uçları takip eder. Son katman olan Pacinian korpüskülleri ise basınç ve yüksek frekanslı titreşimleri algılar.

Bu sensör, kemik ve doku karışımı, insanların çeşitli ve karmaşık yüzeyleri kolay ve hızlı bir şekilde algılamasını sağlar. Özellikle bu yapı, bir yumurtayı kırmadan almanızı ya da otomattan sipariş ettiğiniz kağıt bardak sıcak kakaonun kaymaya başladığını fark etmenizi sağlar.

İnsan Tutuşlarının Kopyalanmasında Yaşanan Sorunlar

İnsan uzuvlarıyla aynı çok yönlülüğe sahip robotik eller yaratmak için birçok girişimde bulunulmuştur. Ancak bunların hepsi çeşitli nedenlerle bugüne kadar başarısız olmuştur. Bununla birlikte, en iyi sonuçları elde eden girişimler yumuşak robotiklerden yararlanmıştır.

Yumuşak Robotlar, sert bir yapıya sahip olmadıkları için geleneksel robotlardan farklıdır. Bu cihazların afet yardımı ve maden arama gibi çeşitli görevlerde kullanımının arttığı görülmüştür, zira uygun olmayan tasarımları dar alanlara sığacak şekilde şekil değiştirmelerine olanak tanımaktadır. Ne yazık ki, yumuşak robotların insan uzuvlarını taklit etmekte yetersiz kalmasına neden olan da bu sertlik eksikliğidir.

Birincisi, esnek bir yumuşak robota eklediğiniz her sensör onun birincil yeteneği olan esnekliğini bozar. Ayrıca, bu sistemlerin çoğu yalnızca dokunmanın gerçekleştiğini algılayabilmektedir. Bu yaklaşım, bir nesneye her dokunduğunuzda beyninizin işlediği muazzam miktardaki duyusal veriden çok uzaktır.

Çalışmanın Detayları

Bu sınırlamaların farkında olan Florida Atlantic Üniversitesi ve diğer önde gelen kurumlardan bir grup bilim insanı, "Hassas ve uyumlu kavrama için nöromorfik dokunsal algılamaya sahip doğal bir biyomimetik protez el"¹ Science Advances dergisinde yayımlandı. Makale, yumuşak robotik eklemlerden, sert bir iç iskeletten ve çok katmanlı bir sensör sisteminden yararlanan yeni bir hibrit protez el tasarımını inceliyor.

El Tasarımı

Mühendisler insan elini taklit eden yeni bir el tasarımı yarattı. Çoklu parmak sistemi, parmakların ve karşı konulabilir başparmağın oluşturulması için kauçuk benzeri polimerler kullanıyor. Tasarım, elektromiyografi yoluyla ön kol kaslarıyla harekete geçirilen yumuşak, hava dolu parmak eklemlerinden yararlanıyor. Bu yaklaşım, kullanıcının gerçek eli gibi kontrol etmesini sağlıyor.

Kaynak - Science Advances

Hibrit Biyomimetik Parmak

Hibrit biyometrik parmak tasarımı, bağımsız olarak harekete geçirilen üç yumuşak robotik eklemi bir araya getiriyor. Bu eklemler insan derisini taklit etmek için Dragon Skin 10 silikondan yapılmıştır. Parmaklar, her bir ana parmakta 3 ve başparmakta iki olmak üzere, eliniz gibi bölünmüş 14 bağımsız olarak çalışan ekleme sahiptir.

Bilim insanı, hibrit parmak eklemlerini harekete geçirmek için pnömatik ağları kullanmayı seçti. Spesifik olarak, aktüatörler havayı basınçlandırarak şişiriyor ve buna göre hareket etmelerini sağlıyor. Bu strateji ek motor ve aktüatör ihtiyacını ortadan kaldırarak maliyetleri ve ağırlığı azaltıyor.

Yumuşak aktüatörlerin sert iç iskelet ile insan benzeri konfigürasyonu, geleneksel bir yumuşak robotik seçeneğinden daha fazla kuvvet sağlar. Bu nedenle, basınçlı aktüatörlerin manipüle edilen nesneye doğrudan kuvvet iletimi sağladığını ve böylece nesneyi hasar görmeden manipüle etmek için belirli alanlara hassas basınç sağlamasına olanak tanıdığını belirlediler.

Protez El Parmak Ucu

Yumuşak silikon parmak ucu, basıncı ve yüksek frekansı algılamasını sağlayan bir dizi çok katmanlı dokunsal sensöre sahiptir. Bu, elin en hassas kısmıdır ve manipüle edilecek ortam ve nesnenin derinlemesine yorumlanmasını sağlamak için diğer sensörlere bağlanır. Sizin gibi robot da parmak ucunu bir yüzey üzerinde gezdirerek bir nesnenin yapısı ve nasıl kullanılması gerektiği hakkında birçok özelliği belirleyebilir.

İskelet

Bu yaklaşımın özünde, hibrit bir tasarımın 3D baskılı rijit bir iç iskelet yapısı içerdiği inancı yatmaktadır. Mühendisler tarafından kullanılan iskelet polilaktik asit (PLA) kullanılarak geliştirilmiştir. Elin temel bileşenleri için stabilite, kuvvet çoğaltma ve destek sunar.

Sensörler

Bilim insanları, neredeyse insan benzeri bir performans elde etmek için yalnızca üç katmanlı dokunma sensörünü çoğaltmaları gerektiğini keşfettiler. Düzenleri, sisteme gerçek zamanlı olarak güvenilir dokunsal geri bildirim sağlayarak, öğeleri başarılı bir şekilde manipüle etmek için bileşimi, gereken kuvveti ve yaklaşımı belirlemek için karmaşık kararlar almasına olanak tanır.

Dış Katman: Dış sensör katmanı epidermisiniz gibi çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Cildiniz en ufak bir dokunuşu fark edebilir. Bu görevi başarmak için ekip, hibrit parmak ucunun yüzeyine bir dış piezorezistif algılama katmanı entegre etti. Bu katman dokuz adet dokunsal sensör içeriyor. Her bir sensörün toplam boyutu 4 mm2'dir ve 2,5 mm aralıklarla yerleştirilerek parmak ucunun tam olarak kaplanması sağlanmıştır.

Orta Katman: Ortadaki algılama alanı, vücudunuzdaki Ruffini uçları gibi çalışacak şekilde inşa edildi. Ekip bu görevi yerine getirmek için piezorezistif bir algılama katmanı yerleştirdi. Özellikle piezorezistif sensörler, üzerlerine harici bir kuvvet uygulandığında elektrik direncini değiştirir.

İlginç bir şekilde, bu katmanda 6 mm2 ölçülerinde altı sensör bulunmaktadır. Ekip bu sensörleri 2,5 mm aralıklarla yerleştirmiş ve taktiksel alım kabiliyetlerini geliştirmek için dış sensör katmanından ofset bir şekilde yerleştirmiştir.

İç Katman: Mühendisler elin iç katmanını Pacinian cisimcikleri gibi çalışacak, yüksek frekanslı titreşimleri ve çevreden gelen geçici basıncı algılayacak şekilde tasarladılar. Tırnağa takılan 10 mm'lik bir piezoelektrik dönüştürücü kullanılarak inşa edilmiştir. Özellikle, hibrit parmak ucunun yumuşak ve sert bileşenleri arasında yer almaktadır.

Kuvvetler algılandığında, sistemin ayarlamalar yapmasına ve nesneyi manipüle etmenin en iyi yolunu belirlemesine olanak tanıyan küçük bir voltaj üretir. Ek olarak, yüzeylerdeki titreşimleri almak için sert tırnağı kullanmıştır.

Makine Öğrenimi Algoritmaları

Tüm bu veriler, robotik uzantıya geri gönderilmeden önce verileri toplayan, işleyen ve nöromorfik olarak kodlayan bir makine öğrenimi algoritmasına beslenir. Sistem, dokuyu sınıflandırmak için tescilli makine öğrenimi algoritmasıyla ilişkili olarak nöromorfik yanıtları kullanabilir.

İlginç bir şekilde sistem, Izhikevich nöron modeli çerçevesini kullanarak insan derisindeki mekanoreseptörlere ilişkin verileri nöromorfik olarak kodlamaktadır. Bu strateji, ünitenin sinir stimülasyonu yoluyla doğal dokunsal duyusal bilgi sağlamasına olanak tanır ki bu da hibrit robotik için bir ilktir.

Robot El Neye Dokunduğunu Biliyor

Bu strateji, robotik kolun neye dokunduğunu belirlemesini sağlıyor. Sinyaller beyin ve sinirler arasında köprü kurarak kullanıcının çeşitli şekil ve yüzey dokularına sahip nesneleri kolaylıkla ayırt edebilmesini sağlıyor.

Protez El Testi

Protez elin test edilmesine tek tek parmaklarla başlandı. Her parmak test edildi ve her duyusal katman değerlendirmeye tabi tutuldu. Ekip, tüm cihazların planlandığı gibi bağımsız olarak çalıştığını belirledikten sonra birleştirildi ve testin bir sonraki aşamasına geçildi.

Araştırmanın bu test aşamasının bir parçası olarak mühendisler eli UR5 robot koluna bağladılar. Ekip buradan itibaren nesneleri manipüle etmeye başladı. Toplamda 15 günlük eşya seçildi. Test edilen nesneler ananas, metal su şişeleri ve yumuşak oyuncaklardan su dolu bir kağıt bardağa kadar uzanıyordu.

Sonuçlar ve Gözlemler

Test sonuçları bu teknoloji için gerçek bir umut vaat ediyordu. Test, yetenekleri hakkında bazı bilgiler sağlamıştır. Esneklik açısından, hibrit biyomimetik parmak 127° eğrilik ve 230° bükülme açısına ulaşmış ve herhangi bir arıza noktası olmamıştır.

Ayrıca, robotik kol çok yönlülük gösterdi ve tutuşunu anında ayarlayabildi. Bir örnekte, bükülmesini ve suyun dökülmesini önlemek amacıyla bir kağıt bardağı kavramak için yalnızca 3 parmağını kullandı. Etkileyici bir şekilde, robotik kolun sensörleri 98.38% doğrulukla dokunmaya dayalı öğeleri sınıflandırdı. Bu oran hem yumuşak robotik hem de sert protez parmakları geride bırakarak insan benzeri bir doğruluk sağladı.

Bulguların Faydaları

Bu çalışmanın pazara getireceği faydalar robot teknolojisini daha iyi hale getirebilir. Burada sergilenen hibrit teknoloji, robotların ve çalışanların yan yana çalıştığı ortamlarda güvenliğin artırılmasına yardımcı olabilir. Robot iş arkadaşınıza çarptığınızı ve onun uzaklaşıp özür dilediğini hayal edin.

Artan El Becerisi

Geliştirilmiş protez kol, öncekilere kıyasla yüksek el becerisi gösterdi. Hem yumuşak hem de sert robotların yapamadığı görevleri yerine getirebildi. Bir örnekte, bir topun etrafını sararak onu kavramakla görevlendirildi. Sert bir protez için imkansız olan bu görevi başardı.

Daha Doğal

Bu tarz protezlerin bir diğer önemli faydası da hastaya daha doğal gelmesidir. Üst uzuv kaybından muzdarip kişiler, protezlerinin zarar verme veya yaralanma korkusu nedeniyle normal görevlerine yeniden entegre olamıyormuş gibi hissedebilirler. Bu teknoloji, sevdiklerine zarar verme endişesi olmadan onlarla güvenli bir şekilde etkileşime girmelerini sağlamayı vaat ediyor.

Protez El Çalışması Araştırmacıları

Protez el çalışması Florida Atlantik Üniversitesi'nden Wen-Yu Cheng tarafından yönetildi. Projeye katkıda bulunan diğer araştırmacılar arasında Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen ve Illinois Chicago Üniversitesi'nden Arnav Gupta yer alıyor.

İlginç bir şekilde, aynı ekip 2018 yılında elektronik deriyi robotik sektörüne ilk kez tanıtan ekip oldu. Şimdi, insan performansı sağlayan yetenekli protezler yaratmak için bu teknolojiyi daha da geliştirdiler. Planları arasında daha fazla sensör, daha iyi malzemeler ve daha fazla kavrama kuvveti entegre ederek sistemlerini ilerletmek yer alıyor.

Protez El Teknolojisi için Gerçek Dünya Uygulamaları ve Zaman Çizelgesi

Bu ilerleme, üst uzuv kaybı olan bireyler için önemli bir umut vaat ediyor ve onlara çevreleriyle daha doğal ve güvenli bir şekilde etkileşim kurma olanağı sunuyor. Gelecekteki protezler bu teknolojiyi entegre edebilir ve yaşam benzeri tepkiler sağlayabilir. Aynı teknoloji cerrahi robotların geliştirilmesine de yardımcı olabilir.

Şu anda araştırma aşamasında olan bu tür protez teknolojileri, daha fazla geliştirme ve yasal onaylara bağlı olarak önümüzdeki 5 ila 10 yıl içinde ticari olarak kullanılabilir hale gelebilir. İşte bu yumuşak robotik gip teknolojisi için diğer birkaç gerçek dünya uygulaması.

Endüstriyel

Sanayi sektörü son 5 yılda robot teknolojilerine doğru güçlü bir kayış yaşadı. Bu son teknoloji, benimsemenin daha da artmasına yardımcı olabilir. Üreticiler kaliteden ödün vermeden verimliliği artırmak için sürekli olarak robotları insan çalışanlarla entegre etmenin yollarını arıyor.

Bu çalışmada ele alınan gibi hibrit robotik özellikler insanlarla birlikte daha az riskle çalışabilir. Ayrıca hassas meyveleri veya cam eşya gibi ürünleri zarar vermeden ayırmak gibi geleneksel olarak yalnızca insanlara özgü görevleri de yerine getirebilirler.

Tarımsal

Tarım, robotların yuva bulduğu bir başka alandır. Bu cihazlar, sensörler aracılığıyla mahsulün sağlığının izlenmesine yardımcı olarak ve olgun mahsullerin zamanında toplanmasını sağlayarak hasadın iyileştirilmesine yardımcı olabilir. Gelecekte, yumuşak robotlar ekimden toplamaya ve iyi ve kötü mahsulleri ayırmaya kadar tarım sürecinin büyük bir kısmını idare edebilir.

Robotik Sektörüne Yön Veren Yenilikçi Bir Şirket

Robotik sektörü, daha fazla firma ve teknoloji girdikçe patlamaya devam ediyor. Robot teknolojisinin geleceği parlak ve birkaç firma pazarda güçlü bir konum elde etmiş durumda. Bu şirketler daha çevik, yetenekli ve daha uzun ömürlü robotların araştırılması ve geliştirilmesi için milyarlarca dolar harcadı. İşte robot teknolojisine öncülük eden bir şirket.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. (EKSO +4.52%) dış iskelet teknolojisi ve robotik rehabilitasyon cihazları alanını geliştirmek amacıyla 2005 yılında pazara girmiştir. Lansmanından bu yana şirket, dış iskelet ürünlerini daha da geliştirmeye odaklanan çok sayıda üst düzey sözleşmeyi güvence altına aldı.

Dış iskeletler insanlar tarafından giyilen robotlardır. Tasarımları, hareketlerinizi tamamlamak ve geliştirmek içindir. Bu nedenle, yorgunluğu önlemeye yardımcı olmak için fabrikalarda veya askerlere daha fazla taşıma kapasitesi sağlamak için bir savaş alanında kullanılabilirler.

Ekso Holdings, uzuv kaybından muzdarip hastaların yaşam kalitesini artırmak için tasarlanmış çeşitli yenilikçi çözümler sunmaktadır. Bu ürünler, konumlandırması ve pazar geçmişinin yanı sıra Ekso Bionics Holdings'i portföyünüze akıllı bir katkı haline getirmektedir.

Ekso Bionics Holdings hakkında son haberler

Protez El Çalışması ve Hibrit Robotiğin Geleceği

Bu çalışma, doğanın birçok tasarım problemi için en iyi çözümü nasıl bulmuş olabileceğini gösteriyor. Daha fazla mühendis doğayı taklit etmeye çalıştıkça, robotik tasarımları yeni bir verimlilik çağını başlatacaktır. Bu teknoloji, robotların insanlarla birlikte güvenli bir şekilde çalışabilmesini ve hem çalışanların hayatlarını hem de teslim edilen ürünleri iyileştiren ek hizmetler sunabilmesini sağlamaya yardımcı olabilir.

Diğer harika Robotik Buluşlar hakkında bilgi edinin İşte.

Referans Verilen Çalışmalar:

^{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). Hassas ve uyumlu kavrama için nöromorfik dokunsal algılamaya sahip doğal bir biyomimetik protez el. Bilim Gelişmeleri, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}