Могут ли протезы рук чувствовать прикосновение? Бионические сенсорные технологии

Уміння тримати предмети, не ламаючи їх, ґрунтується на делікатному відчутті дотику та тонко налаштованому почутті контролю — навичці, яка є особливо складною для користувачів протезів роботизованих рук.

Їм доводиться пристосовуватися до світу, де відсутність природного тактильного зворотного зв'язку робить повсякденні завдання справжнім викликом. А щоб опанувати предмет, потрібно розуміти інформацію, яку ви отримуєте від дотику.

Тож коли ми запитуємо, чи може протез біонічної руки відчувати дотик, нам потрібно подивитися на те, як сучасні технології долають розрив, залишений відсутністю природних відчуттів. Уся справа у взаємодії м'язових сигналів, механічних реакцій та систем зворотного зв'язку, які перетворюють дотик на щось реальне.

Розуміння того, як сучасні пристрої для верхніх кінцівок сприймають навколишнє середовище та реагують на нього, стосується не лише апаратного забезпечення; це стосується програмного забезпечення та систем зворотного зв'язку, які перетворюють дотик на щось, на що можна реагувати. І саме тут на допомогу приходять інженерні рішення; вони вирішують фізичні реалії функціонування протезів та потребу користувача в надійному сприйнятті об'єктів.

Чим біологічний дотик відрізняється від зворотного зв'язку стандартної біонічної руки?

Нервова система людини — це шедевр плавної взаємодії зі світом. Але протези рук не можуть цього відтворити, тому їм доводиться покладатися на інші методи, щоб компенсувати відсутність природних чутливих нервів. Усвідомлення цієї різниці допомагає нам побачити обмеження, з якими стикаються інженери при розробці зворотного зв'язку для протезів.

Чому природні механорецептори так важливі?

Біологічна шкіра містить величезну мережу мікроскопічних рецепторів, які виявляють миттєві тактильні зміни. Стандартні протези верхніх кінцівок не мають таких природних біологічних мереж, а це означає, що синтетичний кінцевий пристрій не може самостійно передавати прямі тактильні відчуття через свій зовнішній матеріал.

Тягар залежності від зору

Більшість користувачів міоелектричних протезів досить сильно покладаються на спостереження за своєю штучною рукою, щоб визначити силу захвату та тиск. Це схоже на постійний моніторинг екрана телевізора; їм доводиться уважно стежити, щоб не впустити або не роздавити предмети. Це може дуже швидко виснажити ментально.

Дослідження показали, що за наявності тактильних сигналів користувачі можуть маніпулювати об'єктами швидше та точніше. Учасники оцінили тактильний зворотний зв'язок як більш важливий, ніж візуальний зворотний зв'язок для ефективного контролю.

Моторний контроль із замкнутим контуром: Мозок протеза

Сучасні протези мають внутрішню архітектуру моторного контролю із замкнутим контуром. Замість того, щоб покладатися на прямі нейронні шляхи, програмне забезпечення системи безперервно відстежує внутрішній опір та позиціонування пальців у режимі реального часу під час роботи руки. Коли пальці стикаються з об'єктом, система реєструє фізичну межу, щоб чітко керувати механічною дією.

Як обробка біосигналів забезпечує більш природний контроль

Перш ніж протез руки зможе точно зреагувати, він повинен розшифрувати м'язові сигнали користувача. І це починається з уловлювання електричної активності збережених м'язів і перетворення її в команди руху.

Багатоканальна ЕМГ для точного введення даних

Поверхневі датчики, розміщені всередині індивідуальної гільзи протеза, виявляють сигнали електроміографії (ЕМГ), що виникають при скороченні вцілілих м'язів.

Внутрішню систему керування можна налаштувати на обробку сигналів від стандартної одноканальної ЕМГ, двоканальної ЕМГ або простих перемикачів, залежно від фізіологічних потреб пацієнта. Це дозволяє процесору перетворювати вихідні дані м'язів безпосередньо у відповідні пропорційні рухи.

Фільтрація шуму та фіксація наміру

У гільзі протеза може бути досить шумно через піт, зміщення шкіри та рух електродів, що заважає чіткості сигналу. Алгоритми обробки відфільтровують цей шум, щоб виділити справжні м'язові сигнали.

Після отримання чистих сигналів програмне забезпечення перетворює їх на команди для швидкості пальців і сили захвату. Така швидка обробка мінімізує затримки та надає користувачам плавний, швидкий контроль, який відчувається більш інтуїтивно. А надійна фільтрація сигналів є ключем до плавної та стабільної роботи протеза.

Чуйне керування для легкого використання

Коли м'язові сигнали можуть безпосередньо перетворюватися в рухи пальців дуже природним чином, користувачам не доводиться напружуватися знову і знову лише для того, щоб отримати хороший захват. Рука рухається плавно та природно в такт зі скороченнями м'язів і саме з тією силою, яка потрібна.

Обробляючи чисті, високоточні дані м'язів через оптимізовані поверхневі масиви датчиків, система забезпечує негайне пропорційне керування. Ця інтуїтивна фізична чуйність гарантує, що користувачі можуть динамічно регулювати активну силу захвату залежно від форми та крихкості цільового об'єкта.

Як незалежні двигуни пальців роблять протез схожим на справжню руку

Не лише програмне забезпечення надає протезу руки особливого характеру; його фізична конструкція також відіграє велику роль. Наприклад, якщо протез руки має індивідуальні моторизовані пальці, він може дійсно пристосувати свій захват до форми будь-якого предмета, який ви тримаєте, чого жорсткі конструкції з одним двигуном просто не можуть зробити.

Як рука з індивідуальним контролем пальців допомагає захоплювати предмети

Кожен палець у протезі руки з індивідуальним контролем може просто припинити рух, коли стикається з певним опором. Руці не потрібно застосовувати жорсткий захват, вона може фактично просто набути форми предмета, який ви намагаєтеся утримати, як це робить рука Zeus для забезпечення максимального контакту та безпеки захвату.

Коли рука може охоплювати предмети справді дивної форми

Наявність пальців, які можуть рухатися незалежно один від одного, означає, що рука може охоплювати всілякі нестандартні об'єкти, ручки, інструменти або просто химерні речі, без необхідності застосовувати занадто великий тиск. Деякі протези навіть мають жорсткий внутрішній каркас, покритий м'яким зовнішнім шаром, щоб зробити цей вид адаптивності ще простішим.

Завдяки рівномірному розподілу сили рука може надійно утримувати речі без необхідності постійно регулювати захват або ламати голову над тим, що робити далі. Все це значно полегшує і робить безпечнішими повсякденні завдання.

Коли сила захвату контролюється м'язовими сигналами, як у справжньому житті

Користувачі можуть контролювати силу захвату, просто регулюючи свої м'язові сигнали, які потім перетворюються на пропорційний рух пальців і тиск. Оскільки кожен палець може реагувати самостійно, рука може прикладати саме ту силу, яка потрібна, і в тому місці, де це необхідно.

Це значно полегшує користувачеві відстеження того, що відбувається, та додає впевненості в тому, що протез поводитиметься саме так, як від нього очікують. Захват відчувається набагато більш передбачуваним, тому користувачі можуть зосередитися на виконанні завдань, а не постійно думати про протез.

Як портфоліо Zeus поєднує потужність та чутливість

Але щоб протез руки був дійсно хорошим, він повинен вміти поєднувати потужність та чутливість. Стандартна конструкція руки Zeus забезпечує високий поріг активної сили захвату — до 152 Ньютонів (34,17 фунт-сили) постійного тиску, поєднуючи механічну потужність з абсолютною швидкістю завдяки повному відкриттю або закриттю приблизно за 1,2 секунди.

Для людей, яким потрібна легша робота біонічної руки, компактний варіант генерує потужні 120 Ньютонів активної сили захвату, розрахованої на повсякденну спритність, що прискорює час її повного спрацьовування до надзвичайно швидких 0,8 секунди.

Коли протез руки сумісний із сенсорними екранами

Однією з корисних особливостей Zeus Hand V2 є сумісний із сенсорними екранами вказівний палець. Це дозволяє користувачам взаємодіяти зі смартфонами, панелями ліфтів та іншими сенсорними поверхнями за допомогою рук, не знімаючи протез і не покладаючись на окремий інструмент. Для повсякденного використання це означає, що прості цифрові завдання, як-от перевірка повідомлень, навігація в додатках або натискання сенсорних кнопок, стають доступнішими та менш обтяжливими.

Шаблони захвату, які ідеально підходять для конкретної роботи

Портфоліо рук Zeus також є дуже універсальним у тому, як воно може адаптуватися до різних шаблонів захвату, що робить його дійсно корисним інструментом для виконання різноманітних завдань. Система підтримує абсолютну функціональну універсальність, маючи 14 попередньо визначених шаблонів захвату та 10 профілів, що налаштовуються користувачем. Їх можна персоналізувати за допомогою супутнього цифрового додатка відповідно до різноманітних життєвих потреб.

Стандартна конструкція руки Zeus характеризується надзвичайною вантажопідйомністю міоелектричного протеза — до 35 кілограмів (77 фунтів) при використанні функціонального гачкового захвату для безпечного розподілу важких вертикальних навантажень.

Поширені запитання (FAQ)

Як пальці знають, коли потрібно зупинити закриття?

Кожен палець працює за допомогою незалежного моторизованого приводу, що дозволяє пальцю автоматично зупинятися в той момент, коли він відчуває фізичний опір. Замість того, щоб змушувати об'єкт набувати жорсткої форми, пальці незалежно один від одного пристосовуються до контурів предмета, щоб оптимізувати контакт із поверхнею та максимізувати стабільність захвату.

Що відбувається з сигналами ЕМГ, коли йдеться про керування?

Всередині гільзи є датчики, які вловлюють електричну активність у ваших м'язах. Програмне забезпечення перетворює це на рухи пальців і навіть на силу, яку вони використовують. Це означає, що ви можете керувати своїм протезом у режимі реального часу.

Чи можуть люди з протезами рук користуватися смартфонами?

Так, безумовно. Конструкція Zeus Hand V2 містить спеціалізовану функцію активного вказівного пальця Active Index, яка дозволяє користувачам легко керувати ємнісними сенсорними екранами на смартфонах і планшетах без використання будь-яких зовнішніх пристосувань.

Які механічні межі визначають обмеження руки щодо вертикального перенесення вантажів?

Стандартна конструкція руки Zeus безпечно витримує вертикальне навантаження до 35 кілограмів (77 фунтів) при використанні функціонального гачкового захвату. Для компактної моделі конструкція забезпечує вертикальну вантажопідйомність до 20 кілограмів для надійного вирішення повсякденних завдань з перенесення речей.

Як індивідуальне керування кожним пальцем впливає на впевненість при захваті?

Це дозволяє руці адаптуватися до форми будь-якого предмета, який ви намагаєтеся утримати, а це означає, що вам не потрібно постійно перевіряти, чи добре ви його тримаєте; утримання просто відчувається надійним.

Подолання розриву між користувачами та їхнім світом

Дослідники наполегливо працюють над тим, щоб протези рук могли краще відчувати предмети та взаємодіяти з ними. Ми ще не зовсім готові відтворити точні відчуття людської шкіри, але ми наближаємося до цього завдяки протезам кінцівок, які поєднують у собі продуманий дизайн із дуже розумною обробкою сигналів.

Саме такі функції, як мотори пальців, що адаптуються до того, що ви робите, та сумісність із сенсорними екранами, дійсно змінюють життя людей у реальному світі.

Архітектура пропорційного керування, зупинка двигуна в замкнутому контурі та можливість вибору індивідуальних налаштувань захвату поєднуються, щоб гарантувати, що штучна кінцівка діє як передбачуване, надзвичайно слухняне продовження тіла користувача. Це суттєво допоможе людям впевненіше взаємодіяти з речами в реальному світі.

Ознайомтеся з останніми інноваціями в протезуванні верхніх кінцівок і дізнайтеся, як ці нові ідеї можуть дійсно змінити ваше повсякденне життя, допомагаючи вам знову повернути відчуття навколишнього середовища.

Зв'яжіться з компанією Aether Biomedical, щоб дізнатися, як наша технологія може бути адаптована під ваші потреби.