Недавно разработанная инновационная роботизированная рука способна аккуратно брать в руки самые разные предметы - от хрупких пластиковых стаканчиков до тяжелых колючих ананасов.
Человеческие руки - удивительно сложные системы. Скелет обеспечивает стабильную структуру, мышцы приспосабливаются к различным весовым нагрузкам, а кожа с ее датчиками прикосновения, давления и температуры обеспечивает мгновенную обратную связь с объектом, к которому мы прикасаемся. Гибкие суставы позволяют нам выполнять такие точные действия, как набор текста или использование игрового контроллера, не прилагая сознательных усилий.
Группе исследователей из Университета Джона Хопкинса удалось воссоздать эти особенности в усовершенствованной роботизированной руке-протезе. В центре руки находится 3D-печатный скелет. Каждый палец включает в себя три независимых силиконовых сустава, управляемых давлением воздуха. Трехслойное покрытие кончиков пальцев "электронной кожей" позволяет руке измерять необходимую силу захвата в режиме реального времени. Рука управляется с помощью электрических сигналов, поступающих только от мышц предплечья.
В ходе экспериментов здоровые участники использовали руку для поднятия различных предметов - от мягких игрушек и губок для посуды, которые она захватывала осторожно, до тяжелых металлических бутылок с водой и колючих ананасов, где она регулировала силу захвата соответствующим образом. Во всех случаях рука успешно поднимала предметы, не роняя их и не причиняя вреда.
Главной целью проекта было создание протеза руки, основанного на физических и сенсорных возможностях человеческой кисти, - более естественного протеза, который функционирует и ощущается как потерянная конечность.
Эволюция протезирования
Протезы рук претерпели значительное развитие на протяжении всей истории человечества. Один из первых протезов руки, изготовленный из металла в Средние века, включал в себя суставы, которые можно было пассивно двигать с помощью другой руки.
Сегодня технология мягкой робототехники совершает революцию в этой области. В отличие от жестких и негибких материалов, руки из мягких материалов могут работать с хрупкими предметами, не деформируя и не раздавливая их. Встроенные датчики давления и температуры делают их более похожими на человеческие благодаря сенсорной обратной связи.
Однако у мягких роботизированных рук есть существенный недостаток - они не могут последовательно генерировать силу, необходимую для поднятия тяжелых предметов. Даже при наличии множества суставов и динамической ладони мягкие роботизированные руки с трудом распознают различные текстуры по сравнению с жесткими аналогами. Кроме того, они относительно слабы - существующие мягкие роботизированные руки могут поднять только около 2,8 фунта.
В отличие от них, человеческие руки сочетают в себе жесткий скелет и мягкие ткани - мышцы и сухожилия, способные растягиваться, вращаться и сжиматься. Датчики давления в коже обеспечивают мгновенную обратную связь: нажимаем ли мы на мягкую игрушку, держим ли скользкую кофейную чашку или управляем электронным устройством?
Вот почему современные конструкции протезов сочетают в себе скелет и искусственные "мышцы".
Например, коммерчески доступная рука LUKE имеет скелет из металла и пластика, который придает ей прочность и устойчивость. Кончики пальцев состоят из мягких материалов, которые улучшают ловкость рук. Протез может захватывать предметы, используя различные сигналы - например, электрические сигналы от мышц или педаль, позволяющую переключаться между различными уровнями захвата. Однако рука по-прежнему остается в основном жесткой и малоподвижной. Большой и указательный пальцы могут сгибаться отдельно, но остальные пальцы двигаются вместе.
Еще одна проблема - обратная связь. Человеческие пальцы используют осязание для калибровки захвата. Каждый из трех слоев кожи кодирует различные ощущения с помощью различных биологических рецепторов. Внешний слой воспринимает легкие прикосновения и медленную вибрацию, например, прикосновение волос к руке. Более глубокие слои ощущают давление: например, текстуру и вес тяжелого предмета.
В 2018 году исследовательская группа разработала электронную кожу, вдохновленную человеческой кожей. Материал, названный E-dermis, воспринимал текстуры и передавал их оставшимся нервам в руке ампутированного человека с помощью мягкой электростимуляции. В коже использовались пьезорезистивные датчики, поэтому давление меняло то, как датчики проводили электричество. Протезы пальцев, покрытые такими датчиками, позволяют человеку с ампутированной верхней конечностью определять различные ощущения, включая давление.
Исследователи объясняют важность этого на бытовом примере: когда человек держит кофейную чашку, как он понимает, что вот-вот уронит ее? Ладонь и кончики пальцев посылают в мозг сигналы о том, что чашка соскальзывает. Система, разработанная командой, работает под влиянием нервной системы - она имитирует сенсорные рецепторы руки, вырабатывая сигналы, похожие на нервные, так что "мозг" протеза (его компьютер) понимает, что что-то горячее или холодное, мягкое или твердое, или выскальзывает из захвата.
Технология, лежащая в основе новой руки
Новый дизайн включает в себя электронную кожу в гибридной руке, которая имитирует человеческую руку.
Большой палец имеет два силиконовых сустава, а пальцы - три. Каждый сустав может сгибаться независимо. Суставы соединяются с жестким 3D-печатным скелетом и управляются пневматической системой.
По сравнению с протезами, состоящими только из мягких компонентов, скелет придает прочность и может выдерживать большие веса. Кончики пальцев руки покрыты участками E-дермы размером с ноготь. Каждый палец сгибается естественным образом, складываясь в ладонь или вытягиваясь наружу.
Рука управляется электрическими сигналами от мышц предплечья. Такие устройства, называемые миоэлектрическими протезами, подключаются к живым нервным окончаниям над местом ампутации. Когда человек думает о движении руки, микропроцессор преобразует нервные сигналы в команды движения.
Серия экспериментов с участием здоровых добровольцев продемонстрировала ловкость руки. Участники носили на предплечье рукав, который улавливал электрические сигналы в их руках - аналогичные тем, что используются ампутантами, - и передавал их в роботизированную руку.
При минимальной тренировке добровольцы смогли взять в руки предметы разного размера, веса и текстуры. Рука аккуратно взяла губку, не раздавив ее, и справилась с различными фруктами - яблоком, апельсином, клементином - без повреждений. Протез оказался способен поднимать и более тяжелые предметы, такие как небольшая каменная статуэтка и металлическая бутылка с водой.
Но самым впечатляющим, по мнению исследователей, был пример, когда рука держала хрупкий пластиковый стаканчик, наполненный водой, используя только три пальца. Рука не деформировала чашку и не пролила ни капли воды.
В целом рука показала впечатляющую точность 99,7 % при работе с 15 различными повседневными предметами, быстро перестраивая захват, чтобы предотвратить падение, проливание или другие казусы.
Важно отметить, что устройство еще не было протестировано на людях, потерявших руку, и в нем еще есть области для совершенствования. Добавление сухожильной структуры между искусственными пальцами могло бы повысить их устойчивость. Имитация движений руки могла бы еще больше улучшить гибкость. Добавление дополнительных датчиков, например, температурных, могло бы еще больше приблизить искусственную руку к возможностям человеческой руки.
Улучшение ловкости протезов рук необходимо для протезов нового поколения. Будущие роботизированные руки должны будут легко интегрироваться в повседневную жизнь и справляться со всем разнообразием, с которым мы сталкиваемся. Именно поэтому так ценен гибридный робот, созданный по подобию человеческой руки - он сочетает в себе мягкие и жесткие структуры, как наша кожа, ткани и кости.
