Proteza dłoni a nowoczesne czujniki

W filmie Robocop, gdzie pozbawiony rąk pacjent uczył się grać na gitarze, mógł to robić dzięki temu, że potrafił odczuwać kontakt ze strunami za sprawą robotycznych dłoni. Bez tego gra na gitarze nie byłaby możliwa. W filmie I, Robot wraz z rozwojem fabuły widz dowiaduje się, że główny bohater korzysta z robotycznej protezy ręki. Nie dało się odgadnąć tego wcześniej, ponieważ proteza doskonale oddawała naturalny wygląd kończyny aż do momentu jej uszkodzenia. Wygląd nieodróżniający się od naturalnej dłoni to jeden z koniecznych warunków złagodzenia przykrych konsekwencji psychicznych po utracie kończyny. Jeszcze ważniejszym aspektem jest jednak możliwość odczuwania przy pomocy robotycznej ręki.

 

Nowoczesna protetyka potrzebuje sztucznej skóry

Robotyczne protezy stają się dzisiaj coraz bardziej popularne. Powstaje wiele firm zajmujących się produkcją komercyjnych modeli. Uczelnie techniczne stale skupiają się nad różnorodnymi badaniami, mającymi poszerzyć możliwości obecnie stosowanych robotycznych protez poprzez ulepszenie implementowanych w nich technologii. Cały proces znacząco przyspieszył dzięki ułatwieniu, jakie miało miejsce po stworzeniu i rozpowszechnieniu technologii druku 3D.

Wielu naukowców i inżynierów skupia się na ulepszaniu sposobu sterowania protezą, a prowadzone badania przynoszą coraz lepsze efekty. W komercyjnych protezach dłoni stosowana jest już technologia pozwalająca na szybkie założenie protezy na kikut i natychmiastowe jej działanie. Jednak samo poruszanie dłonią nie pozwoli na pełne odzyskanie sprawności ruchowej – konieczna jest możliwość odczuwania faktury, temperatury i innych cech dotykanych przedmiotów. W tym celu trwają prace nad stworzeniem odpowiednich czujników pozwalających odczuwać takie parametry jak nacisk, poślizg czy ciepło lub zimno. Ostatecznym krokiem powinno być stworzenie rodzaju sztucznej skóry, która mogłaby przykryć działającą protezę (nadając jej naturalny wygląd) i służyć jako element rejestrujący („odczuwający”) wymienione parametry.

Sztuczna skóra to konieczny element nowoczesnych protez

 

Dlaczego to jest takie ważne? Poza oczywistymi aspektami psychologicznymi wynikającymi z odmienności (związanej odróżniającym się wyglądem wywołującym zaciekawione spojrzenia), do uzyskania komfortu w trakcie korzystania z cybernetycznej protezy dłoni konieczna jest możliwość odczuwania otoczenia w taki sposób, w jaki robi to naturalna kończyna. Jest to ważne zarówno z punktu widzenia wygody i dokładności sterowania przez użytkownika, ale również ze względu na bezpieczeństwo samego użytkownika.

 

Sensory odczuwania dotykanego obiektu

W momencie, kiedy ludzka dłoń zetknie się z materią o bardzo wysokiej temperaturze, która może wywołać obrażenia – odruchowo zabiera się rękę. To odruch, jaki każdy ma „zainstalowany” w swojej głowie – ma on chronić przed uszkodzeniami ciała. Większość robotycznych manipulatorów nie posiada takich możliwości, ale nadając im je, można stworzyć realistyczne odwzorowanie danej kończyny. W takim wypadku konieczny jest czujnik temperatury, umiejscowiony w taki sposób, aby z dużą częstotliwością zbierał odczyty na powierzchni całego manipulatora („na skórze”). Układ logiczny powinien wtedy reagować w określony sposób na niebezpieczne zmiany temperatur. Najlepiej byłoby, gdyby mógł przekazać te informacje bezpośrednio do układu nerwowego, który współpracowałby z naturalną ręką – umożliwiłoby to naturalną reakcję człowieka dzięki samej protezie.

Innym dobrym przykładem może być umiejętność utrzymania śliskiej szklanki z wodą w powietrzu. Proteza dłoni niewyposażona w odpowiednie czujniki i oprogramowanie jest zbyt prymitywna, aby swobodnie podołać takiemu zadaniu. Nowoczesna protetyka uwzględniająca obecność sensorów odczuwania dotykanych obiektów znacząco przybliża działanie protezy dłoni do jej naturalnego odpowiednika. Czujniki poślizgu powinny wykryć przesunięcie szklanki i zwiększać uścisk palców, kontrolując precyzyjnie siłę nacisku do momentu, aż szklanka się zatrzyma.

 

Sensory odczytu aktualnej pozycji dłoni i czujniki reagujące na otoczenie

Załóżmy, że proteza ręki posiada napędy wykonane ze zwykłych silniczków bezszczotkowych. Energia przydzielana przez układ logiczny do układu napędowego może okazać się zbyt duża – mimo, że składanie dłoni w pięść już się zakończyło, silniczki pracują dalej, starając się jeszcze bardziej zgiąć palce. Dla lepszego i pewniejszego sterowania dobrze jest, aby układ logiczny był świadomy aktualnej pozycji robotycznej ręki: nie byłoby wówczas możliwości zajścia opisanej powyżej sytuacji, która grozi uszkodzeniem protezy. Do tego celu mogą być stosowane enkodery magnetyczne. Są to bardzo małe układy scalone, reagujące na obracające się pole magnetyczne. Posiadają bardzo wysoką czułość, a zamontować je można – przykładowo – na zawiasach każdego z paliczka.

 

Czujniki odczytywania naturalnych sygnałów z mózgu

W protetyce przyszłości do sterowania robotyczną ręką najlepiej będą sprawdzały się odczyty ruchów mięśni w kikucie. Konkretne sygnały odpowiadają za odpowiednie pozycje dłoni. Wykorzystanie takich właściwości pozwala na swobodne korzystanie z protezy w prosty sposób – po założeniu jej na ocalałą część ręki, proteza po prostu zaczyna działać. Są to sygnały EMG (tak zwane mio-sygnały), generowane przez mięśnie w trakcie ich ruchu u każdego z nas. Badania nad takim rozwiązaniem były prowadzone między innymi na Politechnice Wrocławskiej. Do tego celu korzystano ze znanego w branży automatyki przemysłowej programu Matlab. Eksperyment polegał na wielokrotnym powtarzaniu konkretnego ruchu – na przykład łapania i puszczania kubka z herbatą. Czujniki umieszczone na ręce badanego obiektu rejestrowały ruch, który był powtarzany nawet kilkaset razy. Wykorzystując sieć neuronową odfiltrowywane były powtarzające się sygnały. W ten sposób otrzymywany był wzorzec danego ruchu dla konkretnej osoby.

 

Czujniki odczytywania naturalnych sygnałów z mózgu

Na robotach społecznych NAO produkcji Aldebaran umiejscowione są czujniki dotyku, mające za zadanie zwiększyć interakcję między człowiekiem i robotem. Roboty reagują na dotknięcie w głowę, w obie ręce i obie nogi. 4 mikrofony pozwalają na zlokalizowanie źródła dźwięku, a robot na głowie ma dwie kamery, dwa czujniki IR, dwa dalmierze ultradźwiękowe, 2 żyroskopy, akcelerometr i 8 czujników nacisku. Aktualna pozycja jest monitorowana przez 36 czujników hallotronowych.

Robot NAO

 

Przykłady badanych czujników

Proteza z grafenem – Cleveland Clinic w stanie Ohio

Powstała tam bioproteza ręki, która umożliwiła muzykowi Jasonowi Barnesowi powrót do gry na fortepianie po wypadku, w którym stracił rękę. Proteza jest kontrolowana za pomocą sygnałów przesyłanych przez połączenia nerwowe i odczuwa dotyk – wszystko to dzięki użyciu słynnego grafenu. Dotyk odczuwany jest dzięki wibracjom uzależnionym od rodzaju dotyku – wywołują one efekt propriocepcji (czucia głębokiego). Pozwalają one nie tylko na odczuwanie, ale również umożliwiają korzystanie z protezy bez kontaktu wzrokowego (co w innych robotycznych rękach nie jest na razie możliwe). Cena za urządzenie ma się nie różnić znacząco od innych nowoczesnych protez.

 

Kulkowy czujnik poślizgu

Na nagraniu widać dwie kulki, które pod wpływem ciężaru zaczynają się obracać. Na podstawie prędkości ruchu, ślizg jest korygowany. Po lewej przedstawiony jest efekt bez uruchomionej korekcji, po prawej korekcja działa.

 

DigiTacts firmy Pressure

Zasada działania czujnika oparta jest na pojemnościowym pomiarze dotyku. Jest zaprojektowany w sposób umożliwiający adaptowanie go do indywidualnych projektów. Posiada wbudowany mikrokontroler, a komunikacja odbywa się przy pomocy interfejsu I2C lub SPI.

Przykład urządzeń z zainstalowanymi czujnikami DigiTacts. Po lewej chwytak w robocie PR2, po prawej cybernetyczna ręka w robocie Twenty-One

 

Biotac SP firmy Syntouch

Zewnętrzna powierzchnia skrywa pod sobą ciecz sięgającą aż do rdzenia. Powierzchnia posiada wbudowane sensory rozpoznające odkształcania materiału (elektrody mierzące impedancję), temperaturę (za pomocą termistora) i wibracje (czujnik ciśnienia).

Przykład zastosowania czujników Biotac

 

Przykłady z Politechniki Wrocławskiej

Praca inżynierska – sztuczna skóra

Na Politechnice Wrocławskiej w ramach projektu inżynierskiego powstał prototyp sztucznej skóry do bionicznej protezy. Prototyp wykorzystuje czujnik piezo zgięcia, dotyku, wibracji i wstrząsów, który umieszczony jest w zgrzanej folii. Może on wytworzyć chwilowo napięcie o wartości nawet 90 V. Do niego została przymocowana gąbka (wzmacniająca i ujednolicająca sygnał wywołany kontaktem z przedmiotem), a między tymi dwoma elementami przymocowano rezystancyjny czujnik nacisku. Wyjścia czujników należy podłączyć do układu logicznego analizującego odbierany sygnał. Tak zmontowany układ daje znakomite rezultaty, umożliwiając rozpoznawanie faktury przedmiotów i nacisku.

Zdjęcia czujnika poślizgu opartego o sensor piezo zgięcia, dotyku, wibracji i wstrząsów oraz rezystancyjny czujnik nacisku

 

Czujnik ciśnienia

Na tej samej uczelni powstał również prototyp czujnika nacisku, wibracji i poślizgu. Swoje działanie opiera na wykorzystaniu czujnika ciśnienia zalanego gumą, silikonem lub innym materiałem o podobnych właściwościach. Ten pod wpływem nacisku stwarza odpowiednie ciśnienie lub podciśnienie na czujniku. Na podstawie danych otrzymanych z niego można rozpoznać wywierany na sensor nacisk i jego rodzaj (na przykład stały nacisk przy trzymaniu przedmiotu lub zmienny przy ich przesuwaniu), dzięki czemu możliwe jest określenie takich cech przedmiotu, jak faktura czy twardość.

Wykorzystanie sensorów w nowoczesnych protezach dłoni połączonych z układem nerwowym sprawia, że nowoczesna protetyka jest niezwykle blisko osiągnięcia poziomu, który dotąd widywano we wspomnianych na początku artykułu produkcjach science fiction. Tylko w naszym kraju rocznie dokonuje się około kilkunastu tysięcy amputacji kończyn – w globalnej skali problem jest jeszcze większy. To właśnie dlatego rozwijanie tej dziedziny nauki jest niezwykle ważne – stanowi bowiem szansę na lepsze życie dla wielu poszkodowanych osób.