Die menschliche Hand ist ein bemerkenswert komplexes System. Das Skelett sorgt für eine stabile Struktur, die Muskeln passen sich an unterschiedliche Gewichte an, und die Haut mit ihren Berührungs-, Druck- und Temperatursensoren gibt uns ein unmittelbares Feedback über das Objekt, das wir berühren. Flexible Gelenke ermöglichen es uns, präzise Handlungen wie das Tippen oder die Bedienung eines Game Controllers ohne bewusste Anstrengung auszuführen.

Einem Forscherteam der Johns Hopkins University ist es gelungen, diese Merkmale in einer fortschrittlichen Roboterhandprothese nachzubilden. Das Herzstück der Hand ist ein 3D-gedrucktes Skelett. Jeder Finger verfügt über drei unabhängige Silikongelenke, die durch Luftdruck betätigt werden. Eine dreischichtige "elektronische Haut" an den Fingerspitzen ermöglicht es der Hand, die erforderliche Greifkraft in Echtzeit zu messen. Die Hand wird ausschließlich über elektrische Signale der Unterarmmuskeln gesteuert.

In den durchgeführten Experimenten hoben gesunde Probanden mit der Hand verschiedene Gegenstände auf - von Kuscheltieren und Spülschwämmen, die sie sanft umfasste, bis hin zu schweren Wasserflaschen aus Metall und stacheligen Ananas, bei denen sie ihre Greifkraft entsprechend anpasste. In allen Fällen gelang es ihr, die Gegenstände zu heben, ohne sie fallen zu lassen oder zu beschädigen.

Das Hauptziel des Projekts war die Entwicklung einer Handprothese, die auf den physischen und sensorischen Fähigkeiten der menschlichen Hand basiert - eine natürlichere Prothese, die wie eine verlorene Gliedmaße funktioniert und sich auch so anfühlt.

Entwicklung der Prothetik

Handprothesen haben im Laufe der Geschichte eine bedeutende Entwicklung durchgemacht. Eine der ersten Handprothesen, die im Mittelalter aus Metall hergestellt wurde, verfügte über Gelenke, die mit Hilfe der anderen Hand passiv bewegt werden konnten.

Heute revolutioniert die Soft-Robotik-Technologie diesen Bereich. Im Gegensatz zu starren und unflexiblen Materialien können Hände aus weichen Materialien empfindliche Objekte handhaben, ohne sie zu verformen oder zu zerdrücken. Integrierte Sensoren für Druck und Temperatur machen sie durch sensorisches Feedback menschenähnlicher.

Weiche Roboterhände haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Sie können nicht durchgängig die gleiche Kraft aufbringen, die zum Heben schwerer Gegenstände erforderlich ist. Selbst mit mehreren Gelenken und einer dynamischen Handfläche haben weiche Roboterhände im Vergleich zu ihren starren Pendants Schwierigkeiten, unterschiedliche Texturen zu erkennen. Außerdem sind sie relativ schwach - die vorhandenen weichen Roboterhände können nur etwa 2,8 Pfund heben.

Im Gegensatz dazu kombinieren unsere menschlichen Hände ein starres Skelett mit weichem Gewebe - Muskeln und Sehnen -, das sich dehnen, drehen und zusammenziehen kann. Drucksensoren in unserer Haut geben uns ein unmittelbares Feedback: Drücken wir auf ein Kuscheltier, halten wir eine glatte Kaffeetasse oder bedienen wir ein elektronisches Gerät?

Aus diesem Grund werden bei den derzeitigen Prothesenkonstruktionen Skelette mit künstlichen "Muskeln" kombiniert.

Der im Handel erhältliche LUKE-Arm zum Beispiel besteht aus einem Metall- und Kunststoffskelett, das ihm Festigkeit und Stabilität verleiht. Seine Fingerspitzen enthalten weiche Materialien, die die Geschicklichkeit verbessern. Die Prothese kann Objekte mit verschiedenen Eingaben greifen - zum Beispiel mit elektrischen Signalen von Muskeln oder einem Fußpedal, das das Umschalten zwischen verschiedenen Greifstufen ermöglicht. Allerdings ist die Hand immer noch weitgehend starr und in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt. Daumen und Zeigefinger lassen sich getrennt voneinander biegen, die übrigen Finger bewegen sich jedoch gemeinsam.

Ein weiteres Problem ist die Rückmeldung. Der menschliche Finger nutzt den Tastsinn, um seinen Griff zu kalibrieren. Jede der drei Hautschichten kodiert unterschiedliche Empfindungen durch verschiedene biologische Rezeptoren. Die äußere Schicht nimmt leichte Berührungen und langsame Vibrationen wahr, z. B. das Streichen von Haaren über die Hand. Die tieferen Schichten nehmen Druck wahr, zum Beispiel die Beschaffenheit und das Gewicht eines schweren Gegenstandes.

Im Jahr 2018 entwickelte das Forschungsteam eine elektronische Haut, die der menschlichen Haut nachempfunden ist. Das E-Dermis genannte Material nahm Texturen wahr und übertrug sie durch sanfte elektrische Stimulation an die verbleibenden Nerven im Arm eines Amputierten. Die Haut verwendete piezoresistive Sensoren, d. h. der Druck veränderte die Art und Weise, wie die Sensoren Strom leiteten. Mit diesen Sensoren beschichtete prothetische Fingerspitzen ermöglichten es einem oberschenkelamputierten Menschen, verschiedene Empfindungen, einschließlich Druck, zu erkennen.

Die Forscher erklären die Bedeutung anhand eines alltäglichen Beispiels: Wenn eine Person eine Kaffeetasse in der Hand hält, woher weiß sie, dass sie sie gleich fallen lassen wird? Die Handfläche und die Fingerspitzen senden Signale an das Gehirn, dass die Tasse verrutscht. Das System des Teams wird durch das Nervensystem beeinflusst - es simuliert die Berührungsrezeptoren der Hand, um nervenähnliche Signale zu erzeugen, so dass das "Gehirn" (der Computer) der Prothese versteht, ob etwas heiß oder kalt, weich oder hart ist oder aus dem Griff rutscht.

Die Technologie hinter der neuen Hand

Das neue Design beinhaltet eine elektronische Haut in einer Hybridhand, die eine menschliche Hand nachahmt.

Der Daumen hat zwei Silikongelenke und die Finger haben drei. Jedes Gelenk kann sich unabhängig voneinander bewegen. Die Gelenke sind mit einem starren 3D-gedruckten Skelett verbunden und werden durch ein pneumatisches System betätigt.

Im Vergleich zu Prothesen, die nur aus weichen Komponenten bestehen, verleiht das Skelett mehr Festigkeit und kann schwerere Gewichte tragen. Die Fingerspitzen der Hand sind mit E-Dermis-Patches von der Größe eines Fingernagels bedeckt. Jeder Finger lässt sich auf natürliche Weise biegen, in die Handfläche falten oder nach außen strecken.

Die Hand wird durch elektrische Signale aus den Unterarmmuskeln des Benutzers gesteuert. Solche Geräte, die als myoelektrische Prothesen bezeichnet werden, sind mit lebenden Nervenenden oberhalb der Amputationsstelle verbunden. Wenn eine Person daran denkt, die Hand zu bewegen, setzt ein Mikroprozessor die Nervensignale in Bewegungsbefehle um.

In einer Reihe von Experimenten mit gesunden Freiwilligen wurde die Geschicklichkeit der Hand nachgewiesen. Die Teilnehmer trugen eine Manschette am Unterarm, um elektrische Signale in ihren Armen zu erfassen - ähnlich wie bei Amputierten - und sie an die Roboterhand zu übertragen.

Mit minimalem Training waren die Freiwilligen in der Lage, verschiedene Objekte unterschiedlicher Größe, Gewicht und Beschaffenheit zu greifen. Die Hand hob sanft einen Schwamm auf, ohne ihn zu zerdrücken, und griff verschiedene Früchte - Äpfel, Orangen, Clementinen - ohne sie zu beschädigen. Die Prothese erwies sich auch als fähig, schwerere Gegenstände zu heben, z. B. eine kleine Steinstatue und eine Wasserflasche aus Metall.

Das beeindruckendste Beispiel war jedoch, so die Forscher, als die Hand einen zerbrechlichen Plastikbecher voller Wasser mit nur drei Fingern hielt. Die Hand verformte den Becher nicht und verschüttete keinen Tropfen Wasser.

Insgesamt erreichte die Hand eine beeindruckende Trefferquote von 99,7 Prozent bei der Handhabung von 15 verschiedenen Alltagsgegenständen, wobei sie ihren Griff schnell anpasste, um Stürze, Verschüttungen oder andere Missgeschicke zu vermeiden.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass das Gerät noch nicht an Menschen getestet wurde, die eine Hand verloren haben, und dass es noch Verbesserungsmöglichkeiten gibt. Das Hinzufügen einer sehnenartigen Struktur zwischen den künstlichen Fingern könnte deren Stabilität verbessern. Die Nachahmung der Handbewegung könnte die Flexibilität weiter verbessern. Das Hinzufügen zusätzlicher Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren, könnte die künstliche Hand noch näher an die Fähigkeiten der menschlichen Hand heranführen.

Die Verbesserung der Geschicklichkeit von Handprothesen ist für die nächste Generation von Prothesen unerlässlich. Zukünftige Roboterhände müssen sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren und mit all der Vielfalt umgehen können, die wir erleben. Deshalb ist ein Hybridroboter, der wie eine menschliche Hand gestaltet ist, so wertvoll - er kombiniert weiche und starre Strukturen, genau wie unsere Haut, Gewebe und Knochen.

The post Smart Robotic Hand Automatically Adjusts Its Grip Strength appeared first on Chipress.io.