La mano protésica pionera se ajusta cuidadosamente y ajusta su agarre para evitar dañar o manejar mal lo que sostiene
Los ingenieros de la Universidad Johns Hopkins han desarrollado una mano protésica pionera que puede agarrar juguetes de peluche, botellas de agua y otros objetos cotidianos como un ser humano, ajustando y ajustando cuidadosamente su agarre para evitar dañar o manejar mal lo que tenga.
El diseño híbrido del sistema es el primero para manos robóticas, que generalmente han sido demasiado rígidas o demasiado suaves para replicar el toque de un humano al manipular objetos de diferentes texturas y materiales. La innovación ofrece una solución prometedora para las personas con pérdida de manos y podría mejorar la forma en que los brazos robóticos interactúan con su entorno.
Los detalles sobre el dispositivo aparecen hoy en Avances Científicos.
«El objetivo desde el principio ha sido crear una mano protésica que modelamos en función de las capacidades físicas y de detección de la mano humana, una prótesis más natural que funciona y se siente como una extremidad perdida», dijo Sankar Sriramana, un estudiante de doctorado Johns Hopkins en ingeniería biomédica que dirigió el trabajo. «Queremos dar a las personas con pérdida de las extremidades superiores la capacidad de interactuar de manera segura y libre con su entorno, sentir y mantener a sus seres queridos sin preocuparse de lastimarlos.»
El dispositivo, desarrollado por el mismo Laboratorio de Neuroingeniería e Instrumentaciones Biomédicas que en 2018 creó el primero del mundo electrónica «piel» con una sensación de dolor similar a la humana, cuenta con un sistema multifinger con polímeros de goma y un esqueleto interno rígido impreso en 3D. Sus tres capas de sensores táctiles, inspirados en las capas de la piel humana, le permiten captar y distinguir objetos de diversas formas y texturas de la superficie, en lugar de solo detectar el tacto. Cada una de sus articulaciones blandas llenas de aire se puede controlar con los músculos del antebrazo, y los algoritmos de aprendizaje automático enfocan las señales de los receptores táctiles artificiales para crear un sentido realista del tacto, dijo Sankar.
«La información sensorial de sus dedos se traduce en el lenguaje de los nervios para proporcionar retroalimentación sensorial naturalista a través de la estimulación nerviosa eléctrica», dijo Sankar.
Llave para Llevar
- Los ingenieros biomédicos de Johns Hopkins crearon una mano protésica que puede agarrar objetos con una habilidad de precisión casi humana.
- A diferencia de las manos robóticas tradicionales, esta mano bioinspirada combina materiales rígidos y blandos, junto con tres capas de sensores táctiles, para imitar el tacto real.
- Controlada por los músculos del antebrazo y el aprendizaje automático, la mano manipuló con éxito 15 objetos cotidianos.
En el laboratorio, la mano identificó y manipuló 15 objetos cotidianos, incluidos delicados juguetes de peluche, esponjas de platos y cajas de cartón, así como piñas, botellas de agua de metal y otros artículos más resistentes. En los experimentos, el dispositivo logró el mejor rendimiento en comparación con las alternativas, manejando con éxito objetos con un 99,69% de precisión y ajustando su agarre según sea necesario para evitar contratiempos. El mejor ejemplo fue cuando recogió ágilmente un vaso de plástico delgado y frágil lleno de agua, usando solo tres dedos sin dentarlo.
«Estamos combinando las fortalezas de la robótica rígida y suave para imitar la mano humana», dijo Sankar. «La mano humana no es completamente rígida o puramente blanda—es un sistema híbrido, con huesos, articulaciones blandas y tejidos trabajando juntos. Eso es lo que queremos que logre nuestra mano protésica. Este es un nuevo territorio para la robótica y las prótesis, que no han adoptado completamente esta tecnología híbrida antes. Es poder dar un apretón de manos firme o recoger un objeto suave sin temor a aplastarlo.»
Para ayudar a los amputados a recuperar la capacidad de sentir objetos mientras agarran, las prótesis necesitarán tres componentes clave: sensores para detectar el entorno, un sistema para traducir esos datos en señales nerviosas y una forma de estimular los nervios para que la persona pueda sentir la sensación Nitish Thakor, un profesor de ingeniería biomédica de Johns Hopkins que dirigió el trabajo.»El objetivo desde el principio ha sido crear una mano protésica que modelamos en función de las capacidades físicas y de detección de la mano humana, una prótesis más natural que funciona y se siente como una extremidad perdida.»Sankar SriramanaEstudiante de doctorado, Ingeniería Biomedial
La tecnología bioinspirada permite que la mano funcione de esta manera, utilizando señales musculares del antebrazo, como la mayoría de las prótesis de mano. Estas señales unen el cerebro y los nervios, permitiendo que la mano se flexione, libere o reaccione en función de su sentido del tacto. El resultado es una mano robótica que intuitivamente «sabe» lo que está tocando, al igual que el sistema nervioso, dijo Thakor.
«Si estás sosteniendo una taza de café, ¿cómo sabes que estás a punto de dejarla caer? Tu palma y las yemas de los dedos envían señales a tu cerebro de que la copa se está resbalando», dijo Thakor. «Nuestro sistema está inspirado neuralmente—modela los receptores táctiles de la mano para producir mensajes similares a los nervios para que las prótesis’ ‘cerebro’ o su computadora, entiendan si algo está caliente o frío, suave o duro, o se desliza del agarre.»
Si bien la investigación es un avance temprano para la tecnología robótica híbrida que podría transformar tanto las prótesis como la robótica, se necesita más trabajo para refinar el sistema, dijo Thakor. Las mejoras futuras podrían incluir fuerzas de agarre más fuertes, sensores adicionales y materiales de grado industrial.
«Esta destreza híbrida no solo es esencial para las prótesis de próxima generación», dijo Thakor. «Es lo que necesitan las manos robóticas del futuro porque no solo manejarán objetos grandes y pesados. Tendrán que trabajar con materiales delicados como vidrio, tela o juguetes blandos. Es por eso que un robot híbrido, diseñado como la mano humana, es tan valioso que combina estructuras suaves y rígidas, al igual que nuestra piel, tejidos y huesos.»
Otros autores incluyen a Wen-Yu Cheng de Florida Atlantic University; Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander y Junjun Chen de Johns Hopkins; y Arnav Gupta de la Universidad de Illinois Chicago.
Esta investigación fue financiada por la subvención «Neuromorphic Feedback: A Strategy to Enhance Prosthesis Embodiment and Performance» del Departamento de Defensa a través del Orthotics and Prosthetics Outcomes Research Program (W81XWH2010842) y la National Science Foundation.
Universidad Johns Hopkins News. R. M. C. Traducido al español
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