Können Handprothesen Berührungen spüren? Bionische Sensorik

Gegenstände sicher zu greifen, ohne sie zu beschädigen, erfordert ein feines Tastgefühl und eine präzise Steuerung – eine Fähigkeit, die für Nutzer von Roboterhand-Prothesen besonders anspruchsvoll ist.

Sie müssen sich an eine Welt anpassen, in der das Fehlen eines natürlichen taktilen Feedbacks alltägliche Aufgaben zu einer echten Herausforderung macht. Und um ein Objekt zu beherrschen, muss man die Informationen verstehen, die man durch Berührung erhält.

Wenn wir also fragen, ob eine prothetische bionische Hand Berührungen spüren kann, müssen wir uns ansehen, wie die heutige Technologie die Lücke schließt, die durch das Fehlen natürlicher Empfindungen entsteht. Es geht um das Zusammenspiel von Muskelsignalen, mechanischen Reaktionen und den Feedback-Systemen, die Berührung in etwas Reales übersetzen.

Zu verstehen, wie moderne Prothesen der oberen Gliedmaßen ihre Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren, ist nicht nur eine Frage der Hardware; es geht um die Software und die Feedback-Systeme, die Berührung in eine handlungsfähige Information verwandeln. Und genau hier setzen technische Lösungen an: Sie bewältigen die physischen Realitäten der Prothesenfunktion und das Bedürfnis des Anwenders nach einer zuverlässigen Wahrnehmung von Objekten.

Wie unterscheidet sich die biologische Berührung vom Standard-Feedback einer bionischen Hand?

Das menschliche Nervensystem ist ein Meisterwerk der reibungslosen Interaktion mit der Welt. Prothetische Hände können dies jedoch nicht eins zu eins kopieren, weshalb sie auf andere Methoden angewiesen sind, um das Fehlen natürlicher sensorischer Nerven auszugleichen. Das Erkennen dieses Unterschieds hilft uns, die Grenzen zu verstehen, vor denen Ingenieure bei der Entwicklung von Prothesen-Feedback stehen.

Warum sind natürliche Mechanorezeptoren so wichtig?

Die biologische Haut enthält ein riesiges Netzwerk mikroskopisch kleiner Rezeptoren, die unmittelbare taktile Veränderungen wahrnehmen. Standardprothesen für die oberen Gliedmaßen verfügen nicht über diese natürlichen biologischen Netzwerke, was bedeutet, dass ein synthetisches Endgerät von Natur aus keine direkten taktilen Empfindungen durch sein Außenmaterial übertragen kann.

Die Last der Abhängigkeit von der Sehkraft

Die meisten Anwender myoelektrischer Prothesen verlassen sich sehr stark darauf, ihre künstliche Hand visuell zu überwachen, um Griff und Druck einzuschätzen. Es ist, als ob sie ständig einen Fernsehbildschirm beobachten würden; sie müssen genau hinsehen, um zu verhindern, dass Gegenstände herunterfallen oder zerquetscht werden. Das kann geistig sehr schnell ermüdend sein.

Studien haben gezeigt, dass Anwender Objekte schneller und präziser manipulieren können, wenn haptische Signale vorhanden sind. Die Teilnehmer bewerteten haptisches Feedback für eine effektive Steuerung als wichtiger als visuelles Feedback.

Geschlossener motorischer Regelkreis: Das Gehirn der Prothese

Fortschrittliche Prothesen verfügen über eine interne Motorsteuerung mit geschlossenem Regelkreis. Anstatt sich auf direkte neuronale Bahnen zu verlassen, überwacht die Software des Systems während des Betriebs der Hand kontinuierlich den internen Widerstand und die Fingerpositionierung in Echtzeit. Wenn die Finger auf ein Objekt treffen, registriert das System die physische Grenze, um die mechanische Leistung präzise zu steuern.

Wie Biosignalverarbeitung eine natürlichere Steuerung ermöglicht

Bevor eine Prothesenhand präzise reagieren kann, muss sie die Muskelsignale des Nutzers entschlüsseln. Das beginnt mit der Erfassung der elektrischen Aktivität der verbliebenen Muskeln und deren Umwandlung in Bewegungbefehle.

Mehrkanal-EMG für exakte Eingabe

Oberflächensensoren im Inneren des individuell angepassten Schafts erfassen Elektromyographie-Signale (EMG), die durch die Kontraktion der verbliebenen Muskeln erzeugt werden.

Das interne Steuerungssystem kann so konfiguriert werden, dass es je nach den physiologischen Bedürfnissen des Patienten Eingaben von Standard-Einkanal-EMG, Zweikanal-EMG oder einfachen Schalterlayouts verarbeitet. Dadurch kann die Verarbeitungseinheit rohe Muskeldaten direkt in reaktionsschnelle, proportionale Bewegungen übersetzen.

Störgeräusche filtern und Absichten erfassen

Die Umgebung im Prothesenschaft kann durch Schweiß, Hautverschiebungen und Elektrodenbewegungen, die die Signalqualität beeinträchtigen, recht unruhig sein. Verarbeitungsalgorithmen filtern diese Störgeräusche heraus, um die echten Muskelsignale zu isolieren.

Sobald saubere Signale vorliegen, wandelt die Software diese in Befehle für Fingergeschwindigkeit und Greifkraft um. Diese schnelle Verarbeitung minimiert Verzögerungen und bietet dem Nutzer eine reibungslose, feinfühlige Steuerung, die sich intuitiver anfühlt. Eine zuverlässige Signalfilterung ist der Schlüssel zu einem reibungslosen und konstanten Betrieb der Prothese.

Reaktionsschnelle Steuerung für mühelose Nutzung

Wenn sich Muskelsignale auf ganz natürliche Weise direkt in Fingerbewegungen übersetzen lassen, müssen sich die Anwender nicht immer wieder anstrengen, nur um einen festen Griff zu bekommen. Die Hand bewegt sich fließend und natürlich im Einklang mit den Muskelkontraktionen und mit genau dem richtigen Kraftaufwand.

Durch die Verarbeitung sauberer, hochpräziser Muskeldaten über optimierte Oberflächen-Arrays ermöglicht das System eine sofortige proportionale Steuerung. Diese intuitive physische Reaktionsfähigkeit stellt sicher, dass Anwender die aktive Greifkraft dynamisch an die Form und Empfindlichkeit des Zielobjekts anpassen können.

Wie die unabhängigen Fingermotoren der Hand das Gefühl einer echten Hand verleihen

Es ist nicht nur die Software, die einer Prothesenhand ihren Charakter verleiht; auch das physische Design spielt eine große Rolle. Wenn eine Prothesenhand beispielsweise über einzeln motorisierte Finger verfügt, kann sie ihren Griff wirklich an die Form dessen anpassen, was Sie gerade halten. Das ist etwas, das starre Konstruktionen mit nur einem Motor einfach nicht leisten können.

Wie eine Hand mit Einzelfingersteuerung beim Greifen hilft

Jeder Finger einer Prothesenhand mit Einzelsteuerung kann einfach aufhören sich zu bewegen, sobald er auf einen Widerstand stößt. Die Hand muss keinen starren Griff erzwingen, sondern kann sich tatsächlich einfach um den Gegenstand herumschmiegen, den Sie halten möchten – genau das tut die Zeus-Hand, um ein Maximum an Kontaktfläche und Griffsicherheit zu erreichen.

Wenn sich eine Hand um wirklich ungewöhnliche Formen legen kann

Finger zu haben, die sich auf diese Weise unabhängig voneinander bewegen können, bedeutet, dass sich die Hand um alle möglichen unregelmäßigen Objekte, Griffe, Werkzeuge oder einfach etwas ausgefallenere Dinge legen kann, ohne zu viel Druck auszuüben. Einige Prothesen haben sogar einen starren Innenrahmen, der mit einer weichen Außenschicht überzogen ist, um diese Anpassungsfähigkeit noch weiter zu erleichtern.

Durch die gleichmäßige Kraftverteilung kann die Hand Gegenstände sicher halten, ohne dass der Anwender seine ganze Zeit damit verbringen muss, den Griff anzupassen oder zu überlegen, was als Nächstes zu tun ist. Das alles macht alltägliche Aufgaben viel einfacher und sicherer.

Wenn die Greifkraft wie im echten Leben durch Muskelsignale gesteuert wird

Anwender können die Greifkraft steuern, indem sie einfach ihre Muskelsignale anpassen, was sich dann in proportionale Fingerbewegungen und entsprechenden Druck übersetzt. Da jeder Finger unabhängig reagieren kann, kann die Hand genau die richtige Kraft an der richtigen Stelle aufbringen.

Dies macht es für den Anwender viel einfacher, den Überblick zu behalten und Vertrauen darauf aufzubauen, dass sich die Prothese so verhält, wie er es erwartet. Das Greifen fühlt sich viel berechenbarer an, sodass sich die Anwender auf ihre Aufgaben konzentrieren können, anstatt ständig über die Prothese nachdenken zu müssen.

Wie das Zeus-Portfolio Kraft und Feingefühl in Einklang bringt

Damit eine Prothesenhand wirklich gut ist, muss sie jedoch in der Lage sein, Kraft und Feingefühl auszubalancieren. Die Standardausführung der Zeus-Hand bietet eine hohe aktive Greifkraftgrenze von bis zu 152 Newton (34,17 lbf) konstantem Druck und verbindet mechanische Kraft mit absoluter Geschwindigkeit, indem sie sich in etwa 1,2 Sekunden vollständig öffnet oder schließt.

Für Personen, die eine leichtere Leistung einer bionischen Hand benötigen, erzeugt die kompakte Variante eine robuste aktive Greifkraft von 120 Newton, die auf die Agilität im Alltag zugeschnitten ist, und verkürzt die vollständige Betätigungszeit auf bemerkenswert schnelle 0,8 Sekunden.

Wenn eine Prothesens handfreundlich zu Touchscreens ist

Ein praktisches Merkmal der Zeus-Hand V2 ist ihr Touchscreen-kompatibler Zeigefinger. Dadurch können Anwender mit ihren Händen mit Smartphones, Aufzugstasten und anderen berührungsempfindlichen Oberflächen interagieren, ohne die Prothese abnehmen oder auf ein separates Werkzeug zurückgreifen zu müssen. Für den Alltag bedeutet dies, dass einfache digitale Aufgaben wie das Abrufen von Nachrichten, das Navigieren in Apps oder das Drücken von Touch-Tasten zugänglicher und weniger umständlich werden.

Griffmuster, die genau für die jeweilige Aufgabe passen

Das Zeus-Hand-Portfolio ist außerdem äußerst vielseitig in der Anpassung an verschiedene Griffmuster, was es zu einem wirklich nützlichen Werkzeug für viele unterschiedliche Aufgaben macht. Das System unterstützt absolute funktionelle Vielseitigkeit mit 14 vordefinierten Griffmustern sowie 10 benutzerdefinierbaren Profilen, die über die dazugehörige digitale Anwendung an die unterschiedlichsten Lebensstile angepasst werden können.

Die Standardausführung der Zeus-Hand verfügt über eine bemerkenswerte Tragfähigkeit der myoelektrischen Prothese von bis zu 35 Kilogramm (77 Pfund), wenn eine funktionelle Hakengriffposition eingenommen wird, um schwere vertikale Lasten sicher zu verteilen.

FAQs

Woher wissen die Finger, wann sie aufhören müssen zu schließen?

Jeder Finger arbeitet mit einem unabhängigen motorisierten Antrieb, sodass ein Finger automatisch stoppt, sobald er auf physischen Widerstand stößt. Anstatt ein Objekt in eine starre Form zu zwingen, passen sich die Finger unabhängig voneinander an die Konturen eines Gegenstands an, um den Oberflächenkontakt zu optimieren und die Griffstabilität zu maximieren.

Wie verhält es sich mit EMG-Signalen bei der Steuerung?

Im Inneren des Schafts befinden sich Sensoren, die die elektrische Aktivität Ihrer Muskeln erfassen. Die Software übersetzt diese dann in Bewegungen der Finger und sogar in die Kraft, die sie anwenden. Das bedeutet, dass Sie Ihre Prothese in Echtzeit steuern können.

Können Menschen mit Prothesenhänden Smartphones benutzen?

Ja, absolut. Die Zeus-Hand V2 integriert eine spezielle aktive Zeigefinger-Funktion, die es Anwendern ermöglicht, nahtlos auf kapazitiven Touchscreens von Smartphones und Tablets zu navigieren, ohne dass externe Modifikationen erforderlich sind.

Welche mechanischen Grenzen bestimmen die vertikale Tragfähigkeit der Hand?

Die Standardausführung der Zeus-Hand ermöglicht eine sichere vertikale Tragfähigkeit von bis zu 35 Kilogramm (77 Pfund), wenn ein funktionelles Hakengriff-Layout verwendet wird. Beim kompakten Modell bietet die Struktur eine vertikale Tragfähigkeit von bis zu 20 Kilogramm, um alltägliche Trageaufgaben zuverlässig zu bewältigen.

Welchen Unterschied macht die individuelle Steuerung jedes einzelnen Fingers für die Griffsicherheit?

Sie sorgt dafür, dass sich die Hand an die Form dessen anpasst, was Sie gerade halten möchten. Das bedeutet, dass Sie nicht ständig überprüfen müssen, ob Sie einen sicheren Griff haben; es fühlt sich einfach stabil an.

Die Lücke zwischen den Anwendern und ihrer Welt schließen

Forscher arbeiten intensiv daran, dass Prothesenhände Gegenstände besser fühlen und mit ihnen interagieren können. Wir sind noch nicht ganz so weit, die exakten Empfindungen der menschlichen Haut nachzubilden, aber wir kommen dem Ziel mit Prothesensystemen, die cleveres Design mit hochentwickelter Signalverarbeitung kombinieren, immer näher.

Es sind Merkmale wie Fingermotoren, die sich an Ihre Aktivitäten anpassen, und die Tatsache, dass sie mit Touchscreens funktionieren – solche Dinge machen im Alltag der Menschen wirklich einen Unterschied.

Proportionale Steuerungsarchitekturen, das Blockieren der Motoren im geschlossenen Regelkreis und anpassbare Griffoptionen tragen gemeinsam dazu bei, dass die künstliche Gliedmaße als berechenbare, hochreaktive Verlängerung des Anwenders fungiert. Das wird den Menschen im Wesentlichen dabei helfen, im Alltag selbstbewusster mit den Dingen umzugehen.

Werfen Sie einen Blick auf die neuesten Innovationen in der Prothetik der oberen Gliedmaßen und erfahren Sie, wie diese neuen Ideen Ihren Alltag bereichern können, indem sie Ihnen helfen, wieder besser mit Ihrer Umgebung in Kontakt zu treten.

Kontaktieren Sie Aether Biomedical, um zu sehen, wie sich unsere Technologie an Ihre Bedürfnisse anpassen lässt.