Les ingénieurs de l’Université Johns Hopkins ont développé une main prothétique pionnière qui peut saisir des jouets en peluche, des bouteilles d’eau et d’autres objets de tous les jours comme un humain, conforme soigneusement et ajustant sa portée pour éviter d’endommager ou de mal gérer tout ce qu’il détient.
La conception hybride du système est une première pour les mains robotiques, qui ont généralement été trop rigides ou trop douces pour reproduire le toucher d’un humain lors de la gestion des objets de textures et de matériaux variables. L’innovation offre une solution prometteuse aux personnes ayant une perte de main et pourrait améliorer comment les bras robotiques interagissent avec leur environnement.
Des détails sur l’appareil apparaissent aujourd’hui dans Avancées scientifiques.
“L’objectif depuis le début a été de créer une main prothétique que nous modélisons en fonction des capacités physiques et de détection de la main humaine – une prothèse plus naturelle qui fonctionne et se sent comme un membre perdu”, a déclaré Sriramana Sankar, un ingénieur biomédical de Johns Hopkins qui a dirigé l’œuvre. “Nous voulons donner aux personnes atteintes d’une perte de membre supérieur la capacité d’interagir en toute sécurité et librement avec leur environnement, de ressentir et de tenir leurs proches sans souci de leur faire du mal. “
L’appareil, développé par le même laboratoire de neuro-ingénierie et d’instruments biomédicaux qui a créé en 2018 la première “peau” électronique mondiale avec un sentiment de douleur humain, dispose d’un système multitifinger avec des polymères en caoutchouc et un squelette interne rigide imprimé en 3D. Ses trois couches de capteurs tactiles, inspirées par les couches de la peau humaine, lui permettent de saisir et de distinguer les objets de diverses formes et textures de surface, plutôt que de simplement détecter le toucher. Chacun de ses joints de doigts remplis d’air doux peut être contrôlé avec les muscles de l’avant-bras, et les algorithmes d’apprentissage automatique se concentrent sur les signaux des récepteurs tactiles artificiels pour créer un sentiment réaliste du toucher, a déclaré Sankar. “Les informations sensorielles de ses doigts se traduisent dans le langage des nerfs pour fournir une rétroaction sensorielle naturaliste par la stimulation du nerf électrique.”
En laboratoire, la main a identifié et manipulé 15 objets de tous les jours, y compris des jouets en peluche délicats, des éponges à vaisselle et des boîtes en carton, ainsi que des ananas, des bouteilles d’eau métalliques et d’autres articles plus robustes. Dans les expériences, l’appareil a obtenu les meilleures performances par rapport aux alternatives, en manipulant avec succès des objets avec une précision de 99,69% et en ajustant son adhérence au besoin pour empêcher les accidents. Le meilleur exemple a été quand il a rempli une tasse en plastique mince et fragile remplie d’eau, en utilisant seulement trois doigts sans le bosser.
“Nous combinons les forces de la robotique rigide et douce pour imiter la main humaine”, a déclaré Sankar. “La main humaine n’est pas complètement rigide ou purement douce – c’est un système hybride, avec des os, des articulations douces et des tissus qui travaillent ensemble. C’est ce que nous voulons que notre main prothétique atteigne. C’est un nouveau territoire pour la robotique et les prothèses, qui n’ont pas pleinement adopté cette technologie hybride.”
Pour aider Amputees à retrouver la capacité de ressentir des objets lors de la saisie, les prothèses auront besoin de trois composantes clés: des capteurs pour détecter l’environnement, un système pour traduire ces données en signaux nerveux et un moyen de stimuler les nerfs afin que la personne puisse ressentir la sensation, a déclaré Nitish Thakor, un professeur de génie biomédical de Johns Hopkins qui a dirigé le travail.
La technologie bioinspire permet à la main de fonctionner de cette façon, en utilisant des signaux musculaires de l’avant-bras, comme la plupart des prothèses à main. Ces signaux comblent le cerveau et les nerfs, permettant à la main de fléchir, de libérer ou de réagir en fonction de son sens du toucher. Le résultat est une main robotique qui “sait intuitivement” ce qu’elle touche, un peu comme le système nerveux, a déclaré Thakor.
“Si vous tenez une tasse de café, comment savez-vous que vous êtes sur le point de le laisser tomber? Votre paume et votre doigt envoient des signaux à votre cerveau que la tasse glisse”, a déclaré Thakor. “Notre système est inspiré de neurally – il modélise les récepteurs tactiles de la main pour produire des messages nervelike afin que le« cerveau »des prothèses ou son ordinateur comprenne si quelque chose est chaud ou froid, doux ou dur, ou glisser de la poignée.”
Bien que la recherche soit une percée précoce pour la technologie robotique hybride qui pourrait transformer à la fois les prothèses et la robotique, plus de travail est nécessaire pour affiner le système, a déclaré Thakor. Les améliorations futures pourraient inclure des forces de préhension plus fortes, des capteurs supplémentaires et des matériaux de qualité industrielle.
“Cette dextérité hybride n’est pas seulement essentielle pour les prothèses de nouvelle génération”, a déclaré Thakor. “C’est ce dont les mains robotiques du futur ont besoin car elles ne géreront pas simplement de grands objets lourds. Ils devront travailler avec des matériaux délicats tels que le verre, le tissu ou les jouets mous. C’est pourquoi un robot hybride, conçu comme la main humaine, est si précieux – il combine des structures douces et rigides, tout comme notre peau, nos tissus et nos os.”
Les autres auteurs incluent Wen-Yu Cheng de la Florida Atlantic University; Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, René Debrabander et Junjun Chen de Johns Hopkins; et Arnav Gupta de l’Université de l’Illinois Chicago.
Cette recherche a été financée par la subvention “Feedback neuromorphique: une stratégie pour améliorer le mode de réalisation et les performances des prothèses” du ministère de la Défense par le biais du programme de recherche sur les résultats des orthèses et des prothèses (W81XWH2010842) et la National Science Foundation.
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