Чи можуть протези рук відчувати дотик? Біонічні сенсорні технології

Утримування 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 справжнє випробування. А щоб опанувати об'єкт, потрібно розуміти інформацію, яку ви отримуєте від дотику.

Тож коли ми запитуємо, чи може протез біонічної руки відчувати дотик, нам потрібно поглянути на те, як сучасні технології долають прірву, що виникла через відсутність 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 відчувають навколишнє середовище та реагують на нього, стосується не лише апаратного забезпечення; це стосується програмного забезпечення та систем зворотного зв'язку, які перетворюють дотик на дію, на яку можна реагувати. І саме тут на допомогу приходять інженерні рішення; вони вирішують фізичні проблеми функціонування протеза та потребу користувача в надійному сприйнятті об'єктів.

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

Нервова система людини — це взірець плавної взаємодії зі світом. Але протези рук не можуть цього відтворити, тому їм доводиться покладатися на інші методи, щоб компенсувати відсутність природних сенсорних нервів. Розуміння 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 фіксують миттєві тактильні зміни. Стандартні протези верхніх кінцівок не мають цих природних біологічних мереж, а це означає, що синтетичний кінцевий пристрій не може безпосередньо передавати 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 контролювати силу стискання та тиск. Це схоже на безперервне спостереження за екраном телевізора; їм доводиться уважно стежити, щоб не впустити або не роздавити предмети. Це може дуже швидко виснажити психіку.

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

Замкнутий контур керування двигуном, протезний мозок

Передові протези мають внутрішню архітектуру керування двигуном із замкнутим контуром. Замість того, щоб покладатися на прямі нейронні шляхи, програмне забезпечення системи постійно контролює 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 природне керування

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

Багатоканальна ЕМГ для точного введення даних

Поверхневі датчики, розміщені всередині індивідуального гільзового інтерфейсу, реєструють сигнали електроміографії (ЕМГ), що виникають під час скорочення м'язів, які залишилися.

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

Фільтрація шуму та фіксація наміру

Середовище гільзи протеза може бути досить зашумленим через піт, зміщення шкіри та рухи електродів, що заважає чіткості сигналу. Алгоритми обробки відфільтровують цей шум, щоб виділити справжні м'язові сигнали.

Щойно ви отримуєте чисті сигнали, програмне забезпечення перетворює їх на команди швидкості пальців і сили стискання. Така швидка обробка мінімізує затримки та надає користувачам плавний, чутливий контроль, який відчувається більш інтуїтивно. А надійна фільтрація сигналів є ключем до плавної, стабільної роботи протеза.

Чутливе керування для невимушеного використання

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

Завдяки обробці чистих, високоточних даних м'язів через оптимізовані поверхневі матриці, система забезпечує миттєве пропорційне керування. Така інтуїтивна фізична реакція гарантує, що користувачі можуть динамічно регулювати силу активного стискання 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 унікальних характеристик; його фізична конструкція також відіграє велику роль. Наприклад, якщо протез руки має індивідуальні моторизовані пальці, він може реально адаптувати свій хват до форми будь-якого предмета, який ви тримаєте, — цього жорсткі одмоторні конструкції просто не здатні досягти.

Як рука з індивідуальним керуванням пальцями допомагає вам захоплювати речі

Кожен палець у протезі руки з індивідуальним керуванням може просто зупинити рух, коли стикається з найменшим опором. Руці не потрібно застосовувати жорстку силу, вона може фактично просто набути форми навколо предмета, який ви намагаєтеся втримати — саме це робить рука Zeus для отримання максимальної площі контакту та безпеки захоплення.

Коли рука може охоплювати дійсно незвичні форми

Наявність пальців, які можуть рухатися незалежно таким чином, означає, що рука може охоплювати будь-які предмети неправильної форми, ручки, інструменти або просто химерні речі, без необхідності застосовувати надмірний тиск. Деякі протези навіть мають дещо жорсткий внутрішній каркас, покритий м'яким зовнішнім шаром, щоб зробити таку адаптованість ще простішою.

Завдяки рівномірному розподілу сили рука може надійно утримувати речі без необхідності постійно коригувати хват або вигадувати, що робити далі. Усе це робить повсякденні завдання набагато простішими та безпечнішими.

Коли сила стискання контролюється м'язовими сигналами точно так само, як у справжньому житті

Користувачі можуть контролювати силу стискання, просто регулюючи свої м'язові сигнали, які потім перетворюються в пропорційні рухи пальців і тиск. Оскільки кожен палець може реагувати незалежно, рука може застосовувати рівно стільки сили, скільки потрібно, і в потрібному місці.

Це значно полегшує користувачеві контроль за процесом і додає впевненості у тому, що протез поводитиметься очікувано. Захоплення відчувається набагато прогнозованішим, 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 якісним, він повинен вміти балансувати між силою та чутливістю. Стандартна конструкція руки Zeus забезпечує високий поріг сили активного стискання — до 152 Ньютонів (34.17 фунт-сили) постійного тиску, поєднуючи механічну силу з абсолютною швидкістю, повністю відкриваючись або закриваючись приблизно за 1.2 секунди.

Для осіб, яким потрібна легша робота біонічної руки, компактний варіант генерує потужні 120 Ньютонів сили активного стискання, адаптованої для повсякденної спритності, прискорюючи час повного спрацьовування до вражаючих 0.8 секунди.

Коли протез руки сумісний із сенсорними екранами

Однією з корисних функцій руки 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, без необхідності знімати протез чи використовувати інші інструменти. 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 хватів, які ідеально підходять для роботи

Лінійка рук Zeus також є надзвичайно універсальною за способом адаптації до різних шаблонів хватів, що робить її дійсно корисним інструментом для виконання найрізноманітніших завдань. Система підтримує абсолютну функціональну гнучкість, пропонуючи 14 визначених шаблонів хватів разом із 10 профілями користувача, які можна налаштувати за допомогою супутнього цифрового додатка відповідно до різноманітних потреб життя.

Стандартна конструкція руки Zeus демонструє чудову вантажопідйомність міоелектричного протеза — до 35 кілограмів (77 фунтів) при виконанні функціонального гакоподібного хвату для безпечного розподілу великих вертикальних навантажень.

Часті запитання

Як пальці знають, коли зупинити закриття?

Кожен палець працює через незалежний моторизований привід, що дозволяє йому автоматично зупинятися в той момент, коли він стикається з фізичним опором. Замість того, щоб змушувати об'єкт набувати жорсткої форми, пальці незалежно адаптуються до контурів предмета, щоб оптимізувати площу контакту та максимізувати стабільність хвату.

Що відбувається з ЕМГ-сигналами під час керування?

Всередині гільзи є датчики, які вловлюють електричну активність ваших м'язів. Програмне забезпечення перетворює це на рухи пальців і навіть на силу, яку вони застосовують. Це означає, що ви можете контролювати свій протез у режимі реального часу.

Чи можуть люди з протезами рук користуватися смартфонами?

Так, безумовно. У Zeus Hand V2 інтегровано спеціалізовану функцію Active Index, яка дозволяє користувачам безперешкодно користуватися ємнісними сенсорними екранами на смартфонах і планшетах без будь-яких зовнішніх модифікацій.

Які механічні межі визначають вантажопідйомність руки по вертикалі?

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

Як індивідуальне керування кожним пальцем впливає на впевненість у хваті?

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

Подолання бар'єра між користувачами та їхнім світом

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

Саме такі функції, як двигуни пальців, що адаптуються до ваших дій, та їх сумісність із сенсорними екранами, дійсно полегшують життя людей у реальному світі.

Архітектура пропорційного керування, зупинка двигуна в замкнутому контурі та можливість вибору індивідуальних хватів поєднуються, щоб штучна кінцівка працювала як прогнозоване та надзвичайно чутливе продовження тіла користувача. Це суттєво допоможе людям упевненіше взаємодіяти з речами в повсякденному житті.

Ознайомтеся з найновішими інноваціями в протезуванні верхніх кінцівок і дізнайтеся, як ці нові ідеї можуть реально змінити ваше повсякденне життя, допомагаючи вам знову знайти контакт із оточенням.

Зв'яжіться з Aether Biomedical, щоб дізнатися, як наша технологія може адаптуватися до ваших потреб.