Il nuovo bracciale indossabile aiuta gli utenti di mani protesiche a “prendere una presa”
I ricercatori progettano un bracciale robotico morbido multicanale unico nel suo genere che trasmette sensazioni tattili artificiali
Digitare su una tastiera, premere pulsanti su un telecomando o intrecciare i capelli di un bambino è rimasto sfuggente per gli utenti di protesi di mano. Con le attuali mani protesiche mioelettriche, gli utenti possono controllare solo una funzione di presa alla volta, anche se le moderne mani artificiali sono meccanicamente in grado di controllare individualmente tutte e cinque le cifre.
Uno studio unico nel suo genere che utilizza feedback tattile/sensazione tattile, controllo dell’elettromiogramma (EMG) e un innovativo bracciale robotico morbido indossabile potrebbe semplicemente essere un punto di svolta per gli utenti di mani protesiche che hanno atteso a lungo i progressi nella destrezza. I risultati dello studio potrebbero catalizzare un cambio di paradigma nel modo in cui le mani artificiali attuali e future sono controllate da persone con arto assente.
I ricercatori del College of Engineering and Computer Science della Florida Atlantic University in collaborazione con il Charles E. Schmidt College of Science della FAU hanno studiato se le persone potessero controllare con precisione le forze di presa applicate a due diversi oggetti afferrati contemporaneamente con un’abile mano artificiale.
Per lo studio, hanno anche esplorato il ruolo svolto dal feedback visivo in questo complesso modello multitasking, bloccando sistematicamente il feedback visivo e tattile nel progetto sperimentale. Inoltre, hanno studiato il potenziale di risparmio di tempo in un esperimento di trasporto di oggetti simultaneo rispetto a un approccio individuale. Per svolgere questi compiti, hanno progettato un nuovo bracciale robotico morbido indossabile multicanale per trasmettere sensazioni tattili artificiali agli utenti della mano robotica.
I risultati, pubblicati su Scientific Reports, hanno mostrato che più canali di feedback tattile hanno consentito ai soggetti di afferrare e trasportare con successo due oggetti contemporaneamente con l’abile mano artificiale senza romperli o lasciarli cadere, anche quando la loro visione di entrambi gli oggetti era ostruita.
Inoltre, l’approccio di controllo simultaneo ha migliorato il tempo necessario per il trasporto e la consegna di entrambi gli oggetti rispetto a un approccio uno alla volta comunemente utilizzato negli studi precedenti. Da notare per la traduzione clinica, i ricercatori non hanno trovato differenze significative tra il soggetto con arto assente e gli altri soggetti per le metriche chiave delle prestazioni nei compiti. È importante sottolineare che i soggetti hanno valutato qualitativamente il feedback tattile come considerevolmente più importante del feedback visivo anche quando la vista era disponibile, perché spesso c’era poco o nessun avviso visivamente percepibile prima che gli oggetti afferrati venissero rotti o fatti cadere.
“Il nostro studio è il primo a dimostrare la fattibilità di questa complessa attività di controllo simultaneo integrando più canali di feedback tattile in modo non invasivo”, ha affermato Erik Engeberg , Ph.D., autore corrispondente e professore, Dipartimento di ingegneria meccanica e oceanica della FAU , College of Engineering and Computer Science, membro del Center for Complex Systems and Brain Sciences della FAU , Charles E. Schmidt College of Science e membro di I-SENSE e FAU Stiles-Nicholson Brain Institute. “Nessuno dei partecipanti allo studio ha avuto un uso precedente significativo di mani artificiali controllate da EMG, ma sono stati in grado di imparare a sfruttare questa funzionalità multitasking dopo due brevi sessioni di formazione”.
Per fornire un feedback tattile, Engeberg e il team di ricerca hanno lavorato al controllo EMG e alla progettazione del bracciale robotico morbido bimodale multicanale fabbricato su misura con Emmanuelle Tognoli , Ph.D., coautrice, professoressa di ricerca, Dipartimento di Psicologia della FAU e Centro per Sistemi complessi e scienze cerebrali e membro del FAU Stiles-Nicholson Brain Institute.
Il bracciale era dotato di attuatori morbidi per trasmettere un senso proporzionale delle forze di contatto; Sono stati inclusi stimolatori vibrotattili per indicare se l’oggetto o gli oggetti afferrati erano stati rotti. Il bracciale è stato progettato per il feedback tattile in tre punti corrispondenti al pollice, indice e mignolo, un numero sufficiente per trasmettere le ampiezze delle forze applicate a entrambi gli oggetti afferrati dalla mano. La fascia da braccio ha tre camere d’aria, ognuna delle quali corrisponde proporzionalmente ad uno dei tre BioTac equipaggiati sui polpastrelli di Shadow Hand. Il bracciale è inoltre dotato di tre attuatori vibrotattili co-posizionati che vibrerebbero per avvisare il soggetto se l’oggetto o gli oggetti nella presa sono stati rotti (se una o entrambe le soglie di forza sono state superate).
“Esempi di controllo multifunzione dimostrati nel nostro studio includevano il controllo proporzionale di una carta che veniva pizzicata tra l’indice e il medio nello stesso momento in cui il pollice e il mignolo venivano usati per svitare il coperchio di una bottiglia d’acqua. Un’altra dimostrazione di controllo simultaneo è stata con una palla che è stata afferrata con tre dita mentre il mignolo è stato utilizzato contemporaneamente per attivare un interruttore della luce”, ha affermato Moaed A. Abd, primo autore e dottore di ricerca. studente presso il Dipartimento di ingegneria marittima e meccanica della FAU.
Le informazioni scoperte dallo studio potrebbero essere utilizzate nelle strutture future di operazioni bimanuali altamente complesse, come quelle richieste a chirurghi e chitarristi, con l’obiettivo di consentire alle persone assenti dagli arti superiori di perseguire percorsi di carriera e attività ricreative attualmente irraggiungibili per loro.
“Consentire un controllo abile raffinato è un problema molto complesso da risolvere e continua ad essere un’area attiva di ricerca perché richiede non solo l’interpretazione delle intenzioni umane di controllo della presa, ma anche un feedback tattile complementare delle sensazioni tattili”, ha affermato Stella Batalama , Ph. D., preside, FAU College of Engineering and Computer Science. “Con questo studio innovativo, i nostri ricercatori stanno affrontando la perdita delle sensazioni tattili, che attualmente è un ostacolo importante nel prevenire il multitasking o l’utilizzo della piena destrezza delle mani protesiche alle persone assenti dagli arti superiori”.
Altri coautori dello studio sono Joseph Ingicco, laureato al College of Engineering and Computer Science della FAU e membro del Biorobotics Lab all’interno del Dipartimento di ingegneria meccanica e oceanica della FAU; e Douglas T. Hutchinson, MD, un chirurgo ortopedico della mano affiliato con gli ospedali e le cliniche dell’Università dello Utah.
La ricerca è stata supportata dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health (NIH); l’Istituto Nazionale di Invecchiamento del NIH; la Fondazione Nazionale delle Scienze; il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti; Burroughs Wellcome Fund e sovvenzioni di semi del FAU Stiles-Nicholson Brain Institute e FAU I-SENSE.
Informazioni sul College of Engineering and Computer Science della FAU:
Il FAU College of Engineering and Computer Science è riconosciuto a livello internazionale per la ricerca e l’istruzione all’avanguardia nei settori dell’informatica e dell’intelligenza artificiale (AI), ingegneria informatica, ingegneria elettrica, ingegneria biomedica, ingegneria civile, ambientale e geomatica, ingegneria meccanica e ingegneria oceanica. La ricerca condotta dalla facoltà e dai loro team espongono gli studenti a innovazioni tecnologiche che spingono l’attuale stato dell’arte delle discipline. Gli sforzi di ricerca del College sono supportati dalla National Science Foundation (NSF), dal National Institutes of Health (NIH), dal Department of Defense (DOD), dal Department of Transportation (DOT), dal Department of Education (DOEd), dallo Stato della Florida e dell’industria. Il FAU College of Engineering and Computer Science offre diplomi con un tocco moderno che portano specializzazioni in aree di priorità nazionale come AI, sicurezza informatica, Internet delle cose, trasporto e gestione della catena di approvvigionamento e scienza dei dati. I nuovi corsi di laurea includono Master of Science in AI (prima in Florida), Master of Science e Bachelor in Data Science and Analytics e il nuovo Master of Science e Ph.D. in informatica per i professionisti del lavoro. Per ulteriori informazioni sul Collegio, visitare il sito e il nuovo Master of Science e Ph.D. in informatica per i professionisti del lavoro. Per ulteriori informazioni sul Collegio, visitare il sito e il nuovo Master of Science e Ph.D. in informatica per i professionisti del lavoro. Per ulteriori informazioni sul Collegio, visitare il sitoeng.fau.edu .
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