Могут ли протезы рук чувствовать прикосновение? Бионические сенсорные технологии

Утримання об'єктів без їхнього пошкодження покладається на делікатне відчуття дотику та тонко налаштоване відчуття контролю — навичку, яка є особливо складною для користувачів протезів роботизованих рук.

Їм доводиться пристосовуватися до світу, де відсутність природного тактильного зворотного зв'язку перетворює повсякденні завдання на справжній виклик. А щоб опанувати об'єкт, необхідно 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. Усе залежить від взаємодії м'язових сигналів, механічних реакцій і 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; йдеться про програмне забезпечення та системи зворотного зв'язку, які перетворюють дотик на дію. І саме тут на допомогу приходять інженерні рішення; вони вирішують фізичні реалії роботи протеза та потребу користувача в надійному відчутті об'єкта.

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

Людська нервова система — це шедевр плавної взаємодії зі світом. Але протези рук не можуть цього відтворити, тому їм доводиться покладатися на інші методи, щоб компенсувати брак природних сенсорних нервів. Розуміння цієї різниці допомагає нам бачити обмеження, з якими стикаються інженери при проектуванні зворотного зв'язку протезів.

Чому природні механорецептори так важливі?

Біологічна шкіра містить величезну мережу мікроскопічних рецепторів, які виявляють миттєві тактильні зміни. Стандартні протези верхніх кінцівок не мають цих природних біологічних мереж, що означає, що синтетичний термінальний пристрій не може безпосередньо передавати 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 стискання та тиск. Це схоже на те, ніби вони постійно стежать за екраном телевізора; їм доводиться уважно дивитися, щоб не впустити або не роздавити предмети. Це може дуже швидко виснажити розумово.

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

Замкнений контур керування двигуном — мозок протеза

Передові протези мають внутрішню архітектуру керування двигуном із замкненим контуром. Замість того, щоб покладатися на прямі нейронні шляхи, програмне забезпечення системи безперервно контролює внутрішній опір і позиціонування пальців у режимі реального часу під час роботи руки. Коли пальці стикаються з об'єктом, система фіксує фізичну межу, щоб чітко керувати механічною дією.

Як обробка біосигналів забезпечує більш природне керування

Перш ніж протез руки зможе точно зреагувати, він повинен декодувати 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

Поверхневі датчики, розміщені всередині індивідуального приймача кукси, реєструють сигнали електроміографії (ЕМГ), що виникають внаслідок скорочення м'язів, які залишилися.

Внутрішню систему керування можна налаштувати для обробки 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 вловлювання наміру

Середовище всередині приймача протеза може бути досить шумним: піт, зміщення шкіри та рух електродів заважають ясності сигналу. Алгоритми обробки відфільтровують цей шум, щоб виділити справжні м'язові сигнали.

Отримавши чисті сигнали, програмне забезпечення перетворює їх на команди регулювання швидкості пальців та сили стискання. Така швидка обробка мінімізує затримки та надає користувачам плавний, чуйний контроль, який здається більш інтуїтивним. А надійна фільтрація сигналів є ключем до плавної та стабільної роботи протеза.

Чуйне керування для легкого використання

Коли м'язові сигнали здатні перетворюватися безпосередньо в рухи пальців дуже природним шляхом, користувачам не доводиться постійно напружуватися лише для того, щоб отримати гарний хват. Рука рухається плавно та природно синхронно з м'язовими скороченнями та з оптимальною силою.

Завдяки обробці чистих, високоточних м'язових даних через оптимізовані поверхневі масиви датчиків, система забезпечує негайне пропорційне керування. Така інтуїтивна фізична чутливість гарантує, що користувачі можуть динамічно регулювати активну силу стискання залежно від форми та крихкості цільового об'єкта.

Як незалежні двигуни пальців роблять протез відчутним як справжня рука

Не лише програмне забезпечення надає протезу руки його характер; спосіб його фізичного проектування також відіграє велику роль. Наприклад, якщо протез руки має індивідуальні моторизовані пальці, він може адаптувати свій хват до форми будь-чого, що ви тримаєте, з чим жорсткі конструкції з одним двигуном просто не в змозі зрівнятися.

Як рука з індивідуальним контролем пальців допомагає захоплювати предмети

Кожен палець у протезі з індивідуальним керуванням може просто зупинити рух, коли стикається навіть з мінімальним опором. Руці не потрібно застосовувати жорстке стискання, натомість вона може буквально облягати предмет, який ви намагаєтеся втримати — саме так працює рука Zeus, щоб забезпечити максимальну площу контакту та безпеку тримання.

Коли рука може охоплювати дійсно незвичайні форми

Наявність пальців, які можуть рухатися незалежно таким чином, означає, що рука може охоплювати всі види нерівних об'єктів, ручок, інструментів або просто незвичайних речей у побуті без потреби застосовувати занадто великий тиск. Деякі протези навіть мають жорсткий внутрішній каркас, покритий м'яким зовнішнім шаром, щоб зробити таку адаптованість ще легшою.

Завдяки рівномірному розподілу сили рука може надійно тримати речі без того, щоб користувач витрачав увесь свій час на налаштування хвату чи роздуми над наступним кроком. Усе це робить повсякденні завдання набагато простішими та безпечнішими.

Коли сила стискання контролюється м'язовими сигналами, як у справжнього органу

Користувачі можуть контролювати силу стискання, просто регулюючи свої м'язові сигнали, які потім транслюються в пропорційний рух і тиск пальців. Оскільки кожен палець може реагувати самостійно, рука може застосовувати саме стільки сили, скільки потрібно, і у правильному місці.

Це значно полегшує користувачеві відстеження того, що відбувається, і додає впевненості у тому, що протез поводитиметься так, як очікується. Захоплення стає набагато більш передбачуваним, тож користувачі можуть зосередитися на виконанні завдань, а не постійно думати про протез.

Як лінійка Zeus балансує між силою та чутливістю

Але щоб протез руки був дійсно корисним, він має вміти балансувати між силою та чутливістю. Стандартна конструкція руки Zeus забезпечує високий поріг активної сили стискання 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 осіб, які потребують легшої роботи біонічної руки, компактний варіант генерує потужні 120 Ньютонів активної сили стискання, адаптованої для повсякденної спритності, прискорюючи час її повного спрацьовування до надзвичайно швидких 0,8 секунди.

Коли протез руки сумісний із сенсорними екранами

Однією з корисних функцій Zeus Hand V2 є сумісний із сенсорними екранами вказівний палець. Це дозволяє користувачам взаємодіяти зі смартфонами, панелями ліфтів та іншими сенсорними поверхнями за допомогою своїх рук, без необхідності знімати протез або використовувати окремий інструмент. У повсякденному житті це означає, що прості цифрові завдання, такі як перевірка повідомлень, навігація в додатках або натискання сенсорних кнопок, стають доступнішими та зручнішими.

Типи хватів, що ідеально підходять для роботи

Лінійка рук Zeus також є дуже універсальною у тому, як вона може адаптуватися до різних типів хватів, що робить її дійсно корисним інструментом для різноманітних завдань. Система підтримує абсолютну функціональну гнучкість, пропонуючи 14 попередньо визначених типів хватів разом із 10 профілями користувача, які можна налаштувати за допомогою мобільного додатка під індивідуальні потреби стилю життя.

Стандартна конструкція руки Zeus має вражаючу вантажопідйомність міоелектричного протеза — до 35 кілограмів (77 фунтів) при використанні функціонального гачкового хвату для безпечного розподілу важких вертикальних навантажень.

Часті питання (FAQ)

Як пальці знають, коли потрібно припинити стискання?

Кожен палець працює за допомогою незалежного моторизованого приводу, що дозволяє пальцю автоматично зупинятися в той момент, коли він відчуває фізичний опір. Замість того, щоб втискати об'єкт у жорстку форму, пальці незалежно підлаштовуються під контури предмета, оптимізуючи площу контакту та максимізуючи стабільність хвату.

Що відбувається з ЕМГ-сигналами під час керування?

Всередині гільзи протеза знаходяться датчики, які зчитують електричну активність ваших м'язів. Програмне забезпечення перетворює її на рухи пальців і навіть контролює силу, яку вони застосовують. Це означає, що ви можете керувати своїм протезом у режимі реального часу.

Чи можуть люди з протезами рук користуватися смартфонами?

Так, безперечно. Zeus Hand V2 оснащена спеціальною функцією Active Index, яка дозволяє користувачам легко користуватися ємнісними сенсорними екранами на смартфонах і планшетах без оновлення чи модифікації протеза іншими інструментами.

Які механічні межі визначають вантажопідйомність руки для перенесення ваги?

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

Як індивідуальний контроль кожного пальця впливає на впевненість під час тримання предметів?

Це дозволяє руці адаптуватися до форми будь-чого, що ви намагаєтеся втримати, а це означає, що вам не потрібно постійно перевіряти, чи надійний у вас хват; він просто відчувається безпечним.

Подолання бар'єру між користувачами та їхнім світом

Дослідники наполегливо працюють над тим, щоб протези рук могли краще відчувати предмети та взаємодіяти з ними. Ми ще не повністю відтворили точні відчуття людської шкіри, але вже наблизилися до цього завдяки протезам кінцівок, які поєднують продуманий дизайн із розумною обробкою сигналів.

Саме такі функції, як двигуни пальців, що адаптуються до ваших дій, і той факт, що вони працюють із сенсорними екранами, дійсно змінюють життя людей у реальному світі на краще.

Архітектура пропорційного керування, зупинка двигуна в замкненому контурі та настроювані типи хватів поєднуються, щоб штучна кінцівка діяла як передбачуване, високочутливе продовження тіла користувача. Це суттєво допоможе людям впевненіше взаємодіяти з речами у реальному світі.

Ознайомтеся з найновішими інноваціями в протезуванні верхніх кінцівок і дізнайтеся, як ці нові ідеї можуть реально змінити ваше повсякденне життя, допомагаючи вам знову повернути зв'язок із навколишнім середовищем.

Зв'яжіться з Aether Biomedical, щоб дізнатися, як наші технології можуть підлаштуватися під ваші потреби.