Bàn tay sinh học bơm hơi, chi phí thấp cung cấp khả năng kiểm soát xúc giác theo thời gian thực cho người cụt

Chân giả cho phép thực hiện nhiều hoạt động hàng ngày, chẳng hạn như kéo vali, bắt tay và vuốt ve mèo.

Đối với hơn 5 triệu người trên thế giới phải cắt bỏ chi trên, các bộ phận giả đã trải qua một chặng đường dài. Ngoài các phần phụ giống như ma-nơ-canh truyền thống, ngày càng có nhiều loại thuốc chữa bệnh thần kinh thương mại – các chi sinh học có khớp nối cao, được thiết kế để cảm nhận các tín hiệu cơ còn lại của người dùng và bắt chước các chuyển động dự kiến của họ một cách tự động.

Nhưng sự khéo léo công nghệ cao này phải trả giá. Các bộ phận thẩm mỹ thần kinh có thể trị giá hàng chục nghìn đô la và được chế tạo xung quanh các bộ xương kim loại, với các động cơ điện có thể nặng và cứng.

Giờ đây, các kỹ sư tại MIT và Đại học Giao thông Thượng Hải đã thiết kế một bàn tay thẩm mỹ thần kinh mềm, nhẹ và có khả năng chi phí thấp. Những người bị cụt tay đã kiểm tra chân tay giả thực hiện các hoạt động hàng ngày, chẳng hạn như kéo vali, đổ một hộp nước trái cây và vuốt ve một con mèo, cũng như – và trong một số trường hợp tốt hơn là – áp dụng các loại thuốc chữa bệnh thần kinh cứng hơn.

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bộ phận giả, được thiết kế với một hệ thống phản hồi xúc giác, khôi phục một số cảm giác ban đầu ở phần chi còn lại của một tình nguyện viên. Thiết kế mới cũng có độ bền đáng kinh ngạc, nhanh chóng phục hồi sau khi bị búa đập hoặc va quệt với ô tô.

Bàn tay thông minh mềm mại và đàn hồi, và nặng khoảng nửa tạ. Các thành phần của nó có tổng giá trị khoảng 500 đô la – một phần nhỏ của trọng lượng và chi phí vật liệu liên quan đến các chi thông minh cứng cáp hơn.

Xuanhe Zhao, giáo sư kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật dân dụng và môi trường tại MIT cho biết: “Đây vẫn chưa phải là một sản phẩm, nhưng hiệu suất đã tương đương hoặc vượt trội so với các chất thẩm mỹ thần kinh hiện có, điều mà chúng tôi rất vui mừng. “Có tiềm năng rất lớn để chế tạo bộ phận giả mềm này với chi phí rất thấp, dành cho những gia đình có thu nhập thấp bị cắt cụt chi”.

Zhao và các đồng nghiệp của ông đã công bố công trình của họ ngày hôm nay trên tạp chí Nature Biomedical Engineering . Các đồng tác giả bao gồm MIT postdoc Shaoting Lin, cùng với Guoying Gu, Xiangyang Zhu, và các cộng tác viên tại Đại học Giao thông Thượng Hải ở Trung Quốc.

Bàn tay anh hùng lớn

Thiết kế mới mềm dẻo của nhóm nghiên cứu mang một nét tương đồng kỳ lạ với một robot bơm hơi nhất định trong bộ phim hoạt hình “Big Hero 6”. Giống như android nhỏ bé, bàn tay giả của nhóm được làm từ vật liệu mềm, co giãn – trong trường hợp này là chất đàn hồi thương mại EcoFlex. Chân tay giả bao gồm năm ngón tay giống như quả bóng bay, mỗi ngón tay được nhúng bằng các đoạn sợi, tương tự như xương khớp ở các ngón tay thật. Các chữ số uốn cong được kết nối với “lòng bàn tay” in 3-D, có hình dạng giống như bàn tay người.

Thay vì điều khiển từng ngón tay bằng động cơ điện được gắn như hầu hết các nhà khoa học thần kinh làm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hệ thống khí nén đơn giản để thổi phồng chính xác các ngón tay và uốn cong chúng ở các vị trí cụ thể. Hệ thống này, bao gồm một máy bơm nhỏ và các van, có thể được đeo ở thắt lưng, giúp giảm đáng kể trọng lượng của bộ phận giả.

Lin đã phát triển một mô hình máy tính để liên hệ vị trí mong muốn của ngón tay với áp suất tương ứng mà một máy bơm sẽ phải áp dụng để đạt được vị trí đó. Sử dụng mô hình này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một bộ điều khiển chỉ đạo hệ thống khí nén làm phồng các ngón tay, ở các vị trí bắt chước năm cách nắm thông thường, bao gồm chụm hai và ba ngón tay lại với nhau, tạo thành nắm tay hình quả bóng và ôm lòng bàn tay.

Hệ thống khí nén nhận tín hiệu từ cảm biến EMG – cảm biến điện cơ đo các tín hiệu điện do tế bào thần kinh vận động tạo ra để điều khiển cơ bắp. Các cảm biến được lắp ở phần mở của bộ phận giả, nơi nó gắn vào chân tay của người dùng. Theo cách sắp xếp này, các cảm biến có thể nhận tín hiệu từ một chi còn lại, chẳng hạn như khi một người bị cụt tay tưởng tượng ra tay.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một thuật toán hiện có để “giải mã” các tín hiệu cơ và liên hệ chúng với các kiểu nắm bắt thông thường. Họ đã sử dụng thuật toán này để lập trình bộ điều khiển cho hệ thống khí nén của họ. Ví dụ, khi một người bị cụt tay tưởng tượng đang cầm ly rượu, các cảm biến sẽ thu nhận các tín hiệu cơ còn lại, sau đó bộ điều khiển sẽ chuyển thành các áp suất tương ứng. Sau đó, máy bơm áp dụng những áp lực đó để làm phồng từng ngón tay và tạo ra khả năng nắm bắt dự định của người bị cụt.

Tiến thêm một bước trong thiết kế của mình, các nhà nghiên cứu đã tìm cách kích hoạt phản hồi xúc giác – một tính năng không được tích hợp trong hầu hết các loại thuốc chữa bệnh thần kinh thương mại. Để làm điều này, họ khâu vào mỗi đầu ngón tay một cảm biến áp suất, khi chạm hoặc bóp sẽ tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với áp suất cảm nhận được. Mỗi cảm biến được kết nối với một vị trí cụ thể trên chi còn lại của người bị cụt, vì vậy người dùng có thể “cảm nhận” khi ngón tay cái của chân giả được ấn vào, chẳng hạn như ngón trỏ.

Cầm tốt

Để kiểm tra bàn tay bơm hơi, các nhà nghiên cứu đã tuyển dụng hai tình nguyện viên, mỗi người đều bị cắt cụt chi trên. Sau khi được trang bị chất gây tê thần kinh, các tình nguyện viên đã học cách sử dụng nó bằng cách liên tục co các cơ trên cánh tay của họ trong khi tưởng tượng việc thực hiện năm cách nắm bắt thông thường.

Sau khi hoàn thành khóa huấn luyện kéo dài 15 phút này, các tình nguyện viên được yêu cầu thực hiện một số bài kiểm tra tiêu chuẩn để thể hiện sức mạnh và sự khéo léo của chân tay. Những công việc này bao gồm xếp chồng ô rô, lật trang, viết bằng bút, nâng những quả bóng nặng và nhặt những vật dễ vỡ như dâu tây và bánh mì. Họ lặp lại các thử nghiệm tương tự bằng cách sử dụng bàn tay sinh học cứng hơn, có bán trên thị trường và nhận thấy rằng bộ phận giả bơm hơi tốt, hoặc thậm chí tốt hơn, ở hầu hết các nhiệm vụ, so với đối tác cứng nhắc của nó.

Một tình nguyện viên cũng có thể sử dụng trực quan chân giả mềm trong các hoạt động hàng ngày, chẳng hạn như để ăn thức ăn như bánh quy giòn, bánh ngọt và táo, và cầm nắm các đồ vật và dụng cụ, chẳng hạn như máy tính xách tay, chai lọ, búa và kìm. Tình nguyện viên này cũng có thể thao tác một cách an toàn bộ phận giả nhỏ xíu, chẳng hạn như bắt tay ai đó, chạm vào hoa và cưng nựng một con mèo.

Trong một bài tập đặc biệt thú vị, các nhà nghiên cứu đã bịt mắt tình nguyện viên và nhận thấy anh ta có thể phân biệt họ chọc và chải ngón tay giả nào. Anh ta cũng có thể “cảm nhận” những chai có kích cỡ khác nhau được đặt trong bàn tay giả và nhấc chúng lên theo phản ứng. Nhóm nghiên cứu coi những thí nghiệm này là một dấu hiệu đầy hứa hẹn cho thấy những người bị cụt tay có thể lấy lại cảm giác và khả năng kiểm soát thời gian thực bằng bàn tay bơm hơi.

Nhóm nghiên cứu đã nộp bằng sáng chế về thiết kế thông qua MIT và đang nỗ lực cải thiện khả năng cảm nhận và phạm vi chuyển động của nó.

“Bây giờ chúng ta có bốn kiểu nắm bắt. Có thể có nhiều hơn nữa, ”Zhao nói. “Thiết kế này có thể được cải tiến, với công nghệ giải mã tốt hơn, mảng cơ điện mật độ cao hơn và một máy bơm nhỏ gọn hơn có thể đeo trên cổ tay. Chúng tôi cũng muốn tùy chỉnh thiết kế để sản xuất hàng loạt, vì vậy chúng tôi có thể dịch công nghệ robot mềm để mang lại lợi ích cho xã hội ”.

Tham khảo: “Bàn tay thẩm mỹ thần kinh mềm mại cung cấp khả năng kiểm soát đồng thời cơ điện và phản hồi xúc giác” của Guoying Gu, Ningbin Zhang, Haipeng Xu, Shaoting Lin, Yang Yu, Guohong Chai, Lisen Ge, Houle Yang, Qiwen Shao, Xinjun Sheng, Xiangyang Zhu và Xuanhe Zhao, ngày 16 tháng 8 năm 2021, Kỹ thuật Y sinh Tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41551-021-00767-0

Theo Scitechdaily