Mão biônica inflável e acessível fornece controle tátil em tempo real aos amputados

A prótese permite uma vasta gama de atividades do dia-a-dia, como acariciar um gato, fechar o zíper de uma bolsa e apertar as mãos.

Existem mais de 5 milhões de pessoas no mundo que já passaram por uma amputação de membro superior e as próteses já percorreram um longo caminho. Além dos apêndices clássicos em formato de manequim, há uma gama crescente de neuropróteses comerciais que são apêndices biônicos extremamente articulados, projetados para captar os sinais musculares residuais de um indivíduo e espelhar roboticamente seus movimentos desejados.

No entanto, essa destreza sofisticada tem um custo. A neuroprostética pode custar dezenas de milhares de dólares e é construída em torno de sistemas esqueléticos metálicos, com motores elétricos potencialmente pesados ​​e rígidos.

Atualmente, os engenheiros do MIT e da Shanghai Jiao Tong University desenvolveram uma mão neuroprotética macia, leve e possivelmente acessível. Amputados que experimentaram o membro sintético realizavam tarefas cotidianas, como fechar uma bolsa de viagem, servir uma caixa de suco e acariciar um gato, igualmente – e em alguns casos melhor do que – aqueles com neuroprostéticos mais rígidos.

Os cientistas descobriram que a prótese se desenvolvida com um sistema de feedback tátil, recuperou alguma sensibilidade primitiva no membro residual de um voluntário. O novo design é, ao mesmo tempo, notavelmente duradouro, recuperando-se rapidamente de um golpe de martelo ou atropelamento de um carro.

A mão inteligente é macia e flexível e pesa cerca de 0,23 kg. Seus componentes somam aproximadamente US $ 500 – uma fração do peso e despesas com materiais associados a apêndices inteligentes mais rígidos.

Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e engenharia civil e ambiental do MIT, diz que embora a “Mão Biônica” ainda não seja um produto, seu desempenho é atualmente comparável ou superior ao da neuroprótese existente, que entusiasma a equipe. Xuanhe Zhao continua dizendo que há um enorme potencial para tornar a prótese flexível muito acessível para famílias de baixa renda que lutaram contra a amputação. “

Zhao e seus colegas publicaram seu trabalho na Nature Biomedical Engineering. Co-autores consistindo em Shaoting Lin, pós-doutorado do MIT, além de Guoying Gu, Xiangyang Zhu, e sócios no Shanghai Jiao Tong College na China.

Mão do grande herói

O novo design flexível da equipe tem uma semelhança excepcional com um robô inflável específico do filme de animação “Big Hero 6”. Como o andróide macio, a mão sintética do grupo é feita de um material macio e elástico – o elastômero comercial EcoFlex. A prótese consiste em 5 dedos em forma de balão, cada um com seções de fibra embutidas, comparáveis ​​a ossos articulados em dedos realistas. Os dedos flexíveis estão ligados a uma palma impressa em 3D, com a forma de uma mão humana.

Em vez de controlar cada dedo com motores elétricos instalados, como faz a maioria dos neuroprostéticos, os cientistas usaram um sistema pneumático simples para inflar com precisão os dedos e flexioná-los em direções específicas. Esse sistema, que inclui uma pequena bomba e válvulas, pode ser usado na cintura, diminuindo consideravelmente o peso da prótese.

Lin criou um modelo de computador para correlacionar o posicionamento desejado de um dedo à pressão correspondente que uma bomba precisaria aplicar para obter esse posicionamento. Com este modelo, o grupo desenvolveu um controlador que instrui o sistema acionado pneumaticamente a inflar os dedos em posições que imitam cinco pegadas típicas, como apertar dois e três dedos juntos, fechando o punho e segurando a mão.

O sistema acionado pneumaticamente recebe sinais de sensores EMG – sensores de eletromiografia que medem os sinais elétricos criados por neurônios motores para comandar os tecidos musculares. Os sensores são colocados na abertura da prótese, onde ela se conecta ao braço do usuário. Nesse layout, os sensores podem detectar sinais de um braço ou perna residual, por exemplo, quando um amputado pensa em fechar o punho.

Posteriormente, a equipe usou um algoritmo existente que “traduz” os sinais musculares e os correlaciona com os tipos comuns de preensão. Eles utilizaram este algoritmo para programar o controlador para seu sistema acionado pneumaticamente. Quando um amputado pensa, por exemplo, em segurar uma taça de vinho, os sensores interpretam os sinais musculares residuais, que o controlador depois traduz em pressões correspondentes. Em seguida, a bomba usa essas pressões para inflar cada dedo e gerar a pegada desejada do amputado.

Dando um passo adiante em seu projeto, os cientistas procuraram permitir feedback tátil – uma função que não está integrada na maioria dos neuropróteses comerciais. Para isso, eles acoplam em cada ponta de dedo um sensor de pressão que, ao ser pressionado, gera um sinal elétrico correspondente à pressão captada. Cada sensor é conectado a um determinado local no membro residual do amputado, para que o indivíduo possa “sentir” quando o dedo da prótese é pressionado, por exemplo, contra o dedo indicador.

Boa aderência

Os cientistas recrutaram dois voluntários para testar a prótese de mão inflável, cada um com amputações de membros superiores. Uma vez equipados com o neuroprostético, os voluntários foram ensinados a usá-lo, contraindo continuamente os músculos dos braços enquanto pensavam em fazer cinco pegadas típicas.

Depois de terminar este exercício de 15 minutos, os voluntários foram solicitados a realizar uma variedade de testes padrão para mostrar força manual e destreza. Essas tarefas consistiam em empilhar damas, virar páginas, escrever com uma caneta, levantar esferas pesadas e pegar itens delicados como morangos e pão. Eles repetiram esses testes com uma mão biônica mais rígida, disponível comercialmente, e descobriram que a prótese inflável era tão boa, ou até melhor, na maioria das tarefas do que sua contraparte rígida.

Um voluntário também foi capaz de, sem esforço, fazer uso da prótese macia em tarefas diárias, por exemplo, para comer alimentos como biscoitos, bolo e maçãs, e para gerenciar itens e ferramentas, como laptops, garrafas, martelos, e alicates. Esse voluntário também podia controlar com segurança a prótese macia, como apertar a mão de alguém, tocar uma flor e acariciar um gato.

Em um exercício interessante, os cientistas vendaram os olhos do voluntário e descobriram que ele conseguia distinguir qual dedo protético eles tocaram e escovaram. Ele também foi capaz de “sentir” frascos de várias dimensões posicionados na mão protética e erguê-los em reação. O grupo vê esses experimentos como uma indicação encorajadora de que amputados podem recuperar uma forma de sensibilidade e controle em tempo real usando a mão inflável.

O grupo submeteu uma patente sobre o design via MIT e está trabalhando para aprimorar sua detecção e variedade de movimento.

Zhao disse que mencionou que a equipe atualmente tem quatro variantes de aderência, e pode haver mais. Zhao acrescentou que o conceito da equipe poderia ser aprimorado com melhor tecnologia de decodificação, matrizes mioelétricas de alta densidade e uma bomba mais simplificada que poderia ser usada no pulso. A equipe também pretende personalizar o design para produção em massa, para que a Mão Bionic possa traduzir sistemas robóticos suaves para ajudar a civilização.

Originalmente publicado em Scitechdaily.com

Referência: “Uma mão neuroprotética macia fornecendo controle mioelétrico simultâneo e feedback tátil” por Guoying Gu, Ningbin Zhang, Haipeng Xu, Shaoting Lin, Yang Yu, Guohong Chai, Lisen Ge, Houle Yang, Qiwen Shao, Xinjun Sheng, Xiangyang Zhu e Xuanhe Zhao, 16 de agosto de 2021,  Nature Biomedical Engineering .
DOI: 10.1038 / s41551-021-00767-0