دست بیونیک «می داند» چه چیزی را لمس می کند/ مانند یک انسان درک می کند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دست مصنوعی پیشگام به دقت منطبق است و چنگال خود را تنظیم می‌کند تا از آسیب دیدن یا سوء استفاده از هر چیزی که نگه می‌دارد جلوگیری کند.

مهندسان دانشگاه جان هاپکینز یک دست مصنوعی پیشگام ساخته‌اند که می‌تواند اسباب بازی‌های مخمل دار، بطری‌های آب و سایر اشیاء روزمره مانند انسان را بگیرد و به دقت چنگ خود را منطبق و تنظیم کند تا از آسیب رساندن یا سوء استفاده از هر چیزی که در دست دارد جلوگیری شود.

طراحی ترکیبی این سیستم برای اولین بار برای دست‌های رباتیک است که معمولاً برای تکرار لمس انسان در هنگام دست زدن به اشیاء با بافت‌ها و مواد مختلف بسیار سفت یا نرم بوده‌اند. این نوآوری راه حل امیدوارکننده‌ای را برای افراد مبتلا به از دست دادن دست ارائه می‌دهد و می‌تواند نحوه تعامل بازو‌های رباتیک با محیط خود را بهبود بخشد.

جزئیات مربوط به دستگاه امروز در Science Advances ظاهر می‌شود.

سریرامانا سانکار، دانشجوی دکترای مهندسی زیست پزشکی جانز هاپکینز که این کار را رهبری می‌کند، گفت: «هدف از ابتدا ایجاد یک دست مصنوعی بوده است که ما آن را بر اساس توانایی‌های فیزیکی و حسی دست انسان مدل‌سازی می‌کنیم—یک پروتز طبیعی‌تر که عمل می‌کند و مانند یک عضو گمشده احساس می‌شود». ما می‌خواهیم به افراد مبتلا به از دست دادن اندام فوقانی این توانایی را بدهیم که ایمن و آزادانه با محیط خود تعامل داشته باشند، بدون نگرانی از آسیب رساندن به عزیزان خود احساس کنند و در آغوش بگیرند.

این دستگاه که توسط همان آزمایشگاه ابزار‌های مهندسی اعصاب و زیست پزشکی که در سال ۲۰۱۸ اولین "پوست" الکترونیکی جهان را با حس درد انسان ایجاد کرد، توسعه یافت، دارای یک سیستم چند انگشتی با پلیمر‌های لاستیکی و یک اسکلت داخلی سفت و سخت با چاپ سه بعدی است. سه لایه حسگر لمسی آن، با الهام از لایه‌های پوست انسان، به آن اجازه می‌دهد تا به جای تشخیص لمس، اجسام با اشکال و بافت‌های سطحی مختلف را درک و تشخیص دهد. سانکار گفت که هر یک از مفاصل انگشت نرم پر از هوا را می‌توان با عضلات ساعد کنترل کرد و الگوریتم‌های یادگیری ماشینی سیگنال‌های گیرنده‌های لمس مصنوعی را برای ایجاد حس لامسه واقعی متمرکز می‌کنند.

سانکار گفت: اطلاعات حسی از انگشتان آن به زبان اعصاب ترجمه می‌شود تا بازخورد حسی طبیعی را از طریق تحریک الکتریکی عصبی ارائه کند.

ویژگی های کلیدی

مهندسان زیست پزشکی جانز هاپکینز دست مصنوعی ساختند که می‌تواند اجسام را با مهارت تقریباً انسانی در دست بگیرد.

برخلاف دست‌های روباتیک سنتی، این دست الهام‌گرفته از زیست‌شناسی مواد سفت و سخت و نرم را به همراه سه لایه حسگر لمسی ترکیب می‌کند تا لمس واقعی را تقلید کند.

این دست که توسط ماهیچه‌های ساعد و یادگیری ماشینی کنترل می‌شود، ۱۵ شیء روزمره را با موفقیت دستکاری می‌کند.

در آزمایشگاه، دست ۱۵ شیء روزمره، از جمله اسباب‌بازی‌های پر شده ظریف، اسفنج‌های ظرف، جعبه‌های مقوایی، آناناس، بطری‌های فلزی آب و سایر اقلام محکم‌تر را شناسایی و دستکاری کرد. در آزمایش‌ها، دستگاه بهترین عملکرد را در مقایسه با دستگاه‌های جایگزین به دست آورد و با موفقیت با اشیاء با دقت ۹۹.۶۹ درصد برخورد کرد و در صورت نیاز، برای جلوگیری از حوادث ناگوار، چنگال آن را تنظیم کرد. بهترین مثال زمانی بود که به سرعت یک لیوان پلاستیکی نازک و شکننده پر از آب را برداشت و تنها از سه انگشت استفاده کرد بدون اینکه دندانه‌ای در آن ایجاد شود.

سانکار گفت: ما در حال ترکیب نقاط قوت رباتیک سخت و نرم برای تقلید از دست انسان هستیم. دست انسان کاملاً سفت یا کاملاً نرم نیست - این یک سیستم ترکیبی است که استخوان‌ها، مفاصل نرم و بافت با هم کار می‌کنند. این چیزی است که ما می‌خواهیم دست مصنوعی ما به آن دست یابد. این قلمرو جدیدی برای رباتیک و پروتز است که قبلاً به طور کامل از این فناوری ترکیبی استقبال نکرده‌اند. می‌تواند بدون ترس از دست دادن یک شی نرم از آن دست بردارد.

نیتیش تاکور، پروفسور مهندسی زیست پزشکی جانز هاپکینز، استاد مهندسی زیست پزشکی جانز هاپکینز، گفت: برای کمک به افراد قطع عضو برای بازیابی توانایی احساس اشیاء در حین گرفتن، پروتز‌ها به سه جزء کلیدی نیاز دارند: حسگر‌هایی برای تشخیص محیط، سیستمی برای ترجمه آن داده‌ها به سیگنال‌های عصبی مانند، و راهی برای تحریک اعصاب به طوری که فرد بتواند این حس را احساس کند.

سریرامانا سانکاردانشجوی دکتری، مهندسی بیومدیال گفت: هدف از ابتدا ایجاد یک دست مصنوعی بوده است که ما آن را بر اساس توانایی‌های فیزیکی و حسی دست انسان مدل سازی می‌کنیم - یک پروتز طبیعی‌تر که عمل می‌کند و مانند یک اندام گم شده احساس می‌شود.

فناوری الهام‌گرفته از زیست به دست اجازه می‌دهد تا مانند بسیاری از پروتز‌های دستی، با استفاده از سیگنال‌های عضلانی از ساعد، اینگونه عمل کند. این سیگنال‌ها روی مغز و اعصاب پل می‌گذارند و به دست اجازه می‌دهند تا بر اساس حس لامسه‌اش خم شود، آزاد شود یا واکنش نشان دهد. تاکور گفت، نتیجه یک دست رباتیک است که به طور شهودی "می داند" چه چیزی را لمس می‌کند، درست مانند سیستم عصبی.

تاکور گفت: اگر یک فنجان قهوه در دست دارید، از کجا می‌دانید که می‌خواهید آن را بیاندازید؟ کف دست و نوک انگشتان شما سیگنال‌هایی را به مغز شما ارسال می‌کنند که فنجان لیز می‌خورد. سیستم ما از الهام عصبی گرفته شده است - گیرنده‌های لمس دست را برای تولید پیام‌های عصبی مدل سازی می‌کند تا "مغز" پروتز یا رایانه آن بفهمد که آیا چیزی گرم یا سرد، نرم یا سخت است یا از چنگ لیز می‌خورد.

تاکور گفت: در حالی که این تحقیق یک پیشرفت اولیه برای فناوری رباتیک هیبریدی است که می‌تواند هم پروتز و هم رباتیک را متحول کند، کار بیشتری برای اصلاح سیستم مورد نیاز است. پیشرفت‌های آینده می‌تواند شامل نیرو‌های چنگال قوی‌تر، حسگر‌های اضافی و مواد صنعتی باشد.

تاکور گفت: این مهارت ترکیبی فقط برای پروتز‌های نسل بعدی ضروری نیست. این چیزی است که دست‌های رباتیک آینده به آن نیاز دارند، زیرا آنها فقط با اجسام بزرگ و سنگین برخورد نمی‌کنند. آنها باید با مواد ظریف مانند شیشه، پارچه یا اسباب بازی‌های نرم کار کنند. به همین دلیل است که یک ربات هیبریدی که مانند دست انسان طراحی شده است بسیار ارزشمند است - درست مانند پوست، بافت و استخوان‌های ما، ساختار‌های نرم و سفت را ترکیب می‌کند.

نویسندگان دیگر عبارتند از Wen-Yu Cheng از دانشگاه آتلانتیک فلوریدا. Jinghua Zhang، Ariel Slepyan، Mark M. Iskarous، Rebecca J. Greene، Rene DeBrabander، و Junjun Chen از جانز هاپکینز؛ و آرناو گوپتا از دانشگاه ایلینوی شیکاگو.

این تحقیق توسط کمک مالی "بازخورد نورومورفیک: استراتژی برای افزایش تجسم و عملکرد پروتز" از وزارت دفاع از طریق برنامه تحقیقاتی نتایج ارتز و پروتز (W۸۱XWH۲۰۱۰۸۴۲) و بنیاد ملی علوم تامین شد.