Чи можуть протези рук відчувати дотик? Біонічні сенсорні технології

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

Їм доводиться пристосовуватися до світу, де відсутність природного тактильного зворотного зв'язку перетворює щоденні завдання на справжній виклик. А щоб опанувати об'єкт, потрібно розуміти інформацію, яку ви отримуєте від дотику.

Тому, коли ми запитуємо, чи може протез біонічної руки відчувати дотик, нам потрібно подивитися на те, як сучасні технології долають прірву, залишену відсутністю природних відчуттів. Усе залежить від 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; 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 функціонування протезів 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 це відтворити, тому їм доводиться покладатися на інші методи, щоб компенсувати брак природних сенсорних нервів. Усвідомлення цієї різниці допомагає нам побачити обмеження, з якими стикаються інженери при проектуванні зворотного зв'язку протезів.

Чому природні механорецептори такі важливі?

Біологічна шкіра містить величезну мережу мікроскопічних рецепторів, які виявляють миттєві тактильні зміни. Стандартні протези верхніх кінцівок не мають цих 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 візуальне 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 розчавити 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.

Замкнутий контур керування двигуном, «мозок» протеза

Передові протези мають внутрішню архітектуру керування двигуном 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 для чіткого керування механічним зусиллям.

Як обробка біосигналів забезпечує більш природне керування

Перш ніж протез руки зможе точно зреагувати, він повинен розкодувати м'язові сигнали користувача. А це починається з фіксації електричної активності від залишкових м'язів і перетворення її на команди руху.

Багатоканальна ЕМГ для точного введення даних

Поверхневі датчики, розміщені всередині індивідуальної гільзи, фіксують сигнали електроміографії (ЕМГ), що виникають під час скорочення залишкових м'язів.

Внутрішню систему керування можна налаштувати на обробку вхідних даних зі стандартної одноканальної ЕМГ, двоканальної ЕМГ або простих перемикачів, залежно від фізіологічних потреб пацієнта. Це дозволяє процесору перетворювати необроблені дані м'язів безпосередньо в чутливі пропорційні рухи.

Фільтрація шуму та фіксація наміру

У гільзі протеза може бути досить шумно через піт, зміщення шкіри та рух електродів, які заважають чіткості 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 захвату. Така швидка обробка мінімізує затримки та надає користувачам плавне, чутливе керування, яке відчувається більш інтуїтивно. А надійна фільтрація сигналів є ключем до плавної та стабільної роботи протеза.

Чутливе керування для легкого використання

Коли м'язові сигнали здатні перетворюватися безпосередньо на рухи пальців дуже природним чином, користувачам не доводиться напружуватися знову і знову лише для того, щоб отримати хороший захват. Рука рухається плавно та природно синхронно з м'язовими скороченнями та з потрібною силою.

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

Як незалежні двигуни пальців дозволяють протезу відчуватися як справжня рука

Не лише програмне забезпечення визначає характер протеза рука; велику роль відіграє і його фізична конструкція. Наприклад, якщо протез руки має індивідуальні моторизовані пальці, він може адаптувати свій захват до форми будь-якого предмета, який ви тримаєте, — це те, з чим жорсткі конструкції з одним двигуном просто не можуть зрівнятися.

Як рука з індивідуальним контролем пальців допомагає вам брати речі

Кожен палець у протезі з індивідуальним керуванням може просто зупинити рух, коли стикається з найменшим опором. Руці не потрібно застосовувати жорсткий захват — натомість вона може просто за формою обхопити річ, яку ви намагаєтеся тримати, саме так робить рука Zeus для досягнення максимального контакту та безпеки захвату.

Коли рука може обхоплювати дійсно незвичайні форми

Наявність пальців, які можуть рухатися незалежно, означає, що рука може охоплювати всілякі нерівні об'єкти, ручки, інструменти або просто химерні речі, без необхідності застосовувати занадто сильний тиск. Деякі протези навіть мають жорсткий внутрішній каркас, покритий м'яким зовнішнім шаром, щоб зробити таку адаптивність ще простішою.

Оптимально розподіляючи силу, рука може надійно утримувати речі без того, щоб користувач витрачав весь свій час на регулювання захвату або роздуми про подальші дії. Це значно полегшує та робить безпечнішими щоденні завдання.

Коли сила захвату контролюється м'язовими сигналами, як у справжнього аналога

Користувачі мають змогу контролювати силу захвату, просто налаштовуючи свої м'язові сигнали, які потім перетворюються на пропорційний рух пальців та тиск. Оскільки кожен палець може реагувати незалежно, рука здатна прикладати саме ту кількість сили та саме в тому місці, де це необхідно.

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

Як портфоліо Zeus балансує потужність та чутливість

Але щоб протез руки був дійсно корисним, він має вміти балансувати між потужністю та чутливістю. Стандартна збірка руки Zeus забезпечує високий рівень 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 осіб, яким потрібна легша робота біонічної руки, компактний варіант генерує потужні 120 Ньютонів активної сили захвату, пристосованої для повсякденної маневреності, що скорочує час її повного спрацьовування до вражаючих 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 більш доступними і менш обтяжливими.

Шаблони захвату, які ідеально підходять для роботи

Портфоліо рук Zeus також є надзвичайно універсальним у тому, як воно адаптується до різних шаблонів захвату, що робить його дуже корисним інструментом для будь-яких завдань. Система підтримує повну функціональну гнучкість, пропонуючи 14 попередньо визначених шаблонів захвату разом із 10 профілями користувача, які можна налаштувати за допомогою супутнього цифрового додатка відповідно до різноманітних потреб життя.

Стандартна модель руки Zeus має вражаючу вантажопідйомність міоелектричного протеза — до 35 кілограмів (77 фунтів) при виконанні функціонального захвату гачком для безпечного розподілу важких вертикальних навантажень.

Часті запитання

Як пальці розуміють, коли потрібно припинити стискатися?

Кожен палець працює завдяки незалежному моторизованому приводу, що дозволяє йому автоматично зупинятися в момент зіткнення з фізичним опором. Замість того, щоб насильно надавати об'єкту жорсткої форми, пальці самостійно підлаштовуються під контури предмета, забезпечуючи оптимальну площу контакту та максимальну стабільність захвату.

Що відбувається з сигналами ЕМГ, коли йдеться про керування?

Всередині гільзи є датчики, які вловлюють електричну активність ваших м'язів. Програмне забезпечення перетворює її на рухи пальців і навіть на 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, абсолютно. У Zeus Hand V2 інтегровано спеціалізовану цифрову функцію активного вказівного пальця (Active Index), яка дозволяє користувачам легко керувати ємнісними сенсорними екранами смартфонів і планшетів без використання додаткових пристосувань.

Які механічні ліміти визначають максимальну вертикальну вантажопідйомність руки?

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

Як індивідуальний контроль кожного пальця впливає на впевненість під час захвату?

Це дозволяє руці адаптуватися до форми будь-якого предмета, який ви намагаєтеся втримати. Це означає, що вам не доведеться постійно перевіряти, чи надійний захват — він просто відчувається безпечним.

Зближення користувачів з їхнім світом

Дослідники наполегливо працюють над тим, щоб протези рук могли краще відчувати об'єкти та взаємодіяти з ними. Ми ще не зовсім готові повністю 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 двигуни пальців, що адаптуються до ваших дій, та їх сумісність із сенсорними екранами, дійсно змінюють життя людей у реальному світі.

Архітектура пропорційного керування, зупинка двигуна в замкнутому контурі та настроювані шаблони захвату поєднуються для того, щоб штучна кінцівка працювала як передбачуване, високочутливе продовження користувача. Це суттєво допоможе людям упевненіше взаємодіяти з речами в реальному світі.

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

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