Bionic Hand ‘sabe’ o que está tocando, agarra como um humano

Os engenheiros da Johns Hopkins University desenvolveram uma mão protética pioneira que pode agarrar brinquedos de pelúcia, garrafas de água e outros objetos do dia a dia, como um humano, em conformidade cuidadosamente e ajustando suas mãos para evitar prejudicar ou manipular o que for.

O design híbrido do sistema é o primeiro para as mãos robóticas, que normalmente são muito rígidas ou muito macias para replicar o toque de um humano ao manusear objetos de texturas e materiais variados. A inovação oferece uma solução promissora para pessoas com perda de mão e pode melhorar como os braços robóticos interagem com seu ambiente.

Detalhes sobre o dispositivo aparecem em Avanços científicos.

“O objetivo desde o início foi criar uma mão protética que modelamos com base nas capacidades físicas e de detecção da mão humana – uma prótese mais natural que funciona e parece um membro perdido”, disse Sriramana Sankar, um engenheiro biomédico de Johns Hopkins que liderou o trabalho. “Queremos dar às pessoas com perda de membros superiores a capacidade de interagir com segurança e livremente com seu ambiente, sentir e manter seus entes queridos sem se preocupar em machucá-las”.

O dispositivo, desenvolvido pelo mesmo laboratório de neuroengenharia e instrumentações biomédicas que em 2018 criou a primeira “pele” eletrônica do mundo com uma sensação de dor humana, apresenta um sistema de vários dedos com polímeros semelhantes a borracha e um rígido esqueleto interno impresso em 3D. Suas três camadas de sensores táteis, inspirados nas camadas da pele humana, permitem agarrar e distinguir objetos de várias formas e texturas da superfície, em vez de apenas detectar toque.

Cada uma de suas articulações macias e cheias de ar pode ser controlada pelos músculos do antebraço e os algoritmos de aprendizado de máquina concentram os sinais dos receptores de toque artificiais para criar uma sensação realista de toque, disse Sankar, explicando o “informações sensoriais de seus dedos.

No laboratório, a mão identificou e manipulou 15 objetos diários, incluindo brinquedos de pelúcia delicados, esponjas de pratos e caixas de papelão, além de abacaxi, garrafas de água de metal e outros itens mais resistentes. Nos experimentos, o dispositivo alcançou o melhor desempenho em comparação com as alternativas, lidando com os objetos com sucesso com 99,69% de precisão e ajustando a aderência conforme necessário para evitar contratempos. O melhor exemplo foi quando pegou um copo de plástico fino e frágil cheio de água, usando apenas três dedos sem derrotá -lo.

“Estamos combinando os pontos fortes da robótica rígida e suave para imitar a mão humana”, disse Sankar. “A mão humana não é completamente rígida ou puramente macia – é um sistema híbrido, com ossos, articulações macias e tecidos trabalhando juntos. É isso que queremos que nossa mão protética seja alcançada. Este é um novo território para robótica e próteses, que não adotou completamente essa tecnologia híbrida antes.

Para ajudar os amputados a recuperar a capacidade de sentir objetos durante a compreensão, as próteses precisarão de três componentes principais: sensores para detectar o ambiente, um sistema para traduzir esses dados em sinais do tipo nervoso e uma maneira de estimular os nervos para que a pessoa possa sentir a sensação, disse o trabalho que é um professor de engenharia biomédica.

A tecnologia bioinspirada permite que a mão funcione dessa maneira, usando sinais musculares do antebraço, como a maioria das próteses manuais. Esses sinais preenchem o cérebro e os nervos, permitindo que a mão flexione, liberasse ou reaja com base em seu senso de toque. O resultado é uma mão robótica que intuitivamente “sabe” o que é comovente, como o sistema nervoso, Thakor disse.

“Se você está segurando uma xícara de café, como você sabe que está prestes a soltar? Sua palma e pontas dos dedos enviam sinais para o seu cérebro de que a xícara está escorregando”, disse Thakor. “Nosso sistema é inspirado neuralmente – ele modela os receptores de toque da mão para produzir mensagens nervosas para que as próteses ” cérebro ” ou seu computador entendam se algo está quente ou frio, macio ou duro ou escorregando da alça”.

Embora a pesquisa seja um avanço precoce para a tecnologia robótica híbrida que possa transformar próteses e robótica, é necessário mais trabalho para refinar o sistema, disse Thakor. Melhorias futuras podem incluir forças de aderência mais fortes, sensores adicionais e materiais de nível industrial.

“Essa destreza híbrida não é apenas essencial para as próteses da próxima geração”, disse Thakor. “É o que as mãos robóticas da futura precisam, porque elas não lidam com objetos grandes e pesados. Eles precisam trabalhar com materiais delicados, como vidro, tecido ou brinquedos macios. É por isso que um robô híbrido, projetado como a mão humana, é tão valioso – ele combina estruturas suaves e rígidas, como a nossa pele, tissue e ossos”.

Outros autores incluem Wen-Yu Cheng, da Florida Atlantic University; Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander e Junjun Chen de Johns Hopkins; e Arnav Gupta, da Universidade de Illinois Chicago.