یک تیم از مهندسان اخیراً دست پروتزی پیشرفته‌ای ساخته‌اند که می‌تواند به‌راحتی اشیای روزمره را، از اسباب‌بازی‌های نرم گرفته تا بطری‌های آب، کنترل کند و میزان فشار خود را به‌گونه‌ای تنظیم کند که آسیبی به آن‌ها وارد نشود.
ترکیب عناصر سخت و نرم در دست رباتیک
این متخصصان با معرفی یک روش ترکیبی نوآورانه، اجزای سخت و نرم را در دست رباتیکی ترکیب کرده‌اند تا طراحی منحصربه‌فرد دست انسان را شبیه‌سازی کنند.
این پژوهش نوآورانه در آزمایشگاه نورومهندسی و ابزارهای زیست‌پزشکی دانشگاه جانز هاپکینز انجام شده است. این تیم پیش‌تر در سال ۲۰۱۸ یک «پوست الکترونیکی» با حس درد مشابه انسان توسعه داده بود.
دست پروتزی با قابلیت تشخیص لمس
دست جدید شامل مجموعه‌ای از انگشتان است که از پلیمرهای لاستیکی‌مانند ساخته شده و روی یک اسکلت سخت چاپ سه‌بعدی قرار گرفته‌اند.
سه لایه حسگر لمسی آن، که از لایه‌های پوست انسان الهام گرفته شده‌اند، نه‌تنها امکان تشخیص تماس را فراهم می‌کنند، بلکه قادرند بافت، شکل و نیروی لازم برای برداشتن اشیا مختلف را نیز شناسایی کنند.
سریرامانا سانکار، مهندس زیست‌پزشکی دانشگاه جانز هاپکینز که هدایت این پژوهش را بر عهده داشته است، گفت:
«هدف از همان ابتدا، ایجاد دستی پروتزی بوده که بر اساس توانایی‌های فیزیکی و حسی دست انسان طراحی شود – یک پروتز طبیعی‌تر که مانند یک اندام از دست‌رفته عمل کرده و حس شود.»
وی افزود:
«ما می‌خواهیم به افراد دارای قطع عضو در اندام فوقانی، توانایی تعامل ایمن و آزادانه با محیط اطرافشان را بدهیم؛ به‌طوری‌که بتوانند عزیزانشان را در آغوش بگیرند، بدون اینکه نگران آسیب رساندن به آن‌ها باشند.»
پلی میان اجزای نرم و سخت
در فناوری پروتزها، دست‌های رباتیک اغلب یا بیش‌ازحد سخت هستند که نمی‌توانند اشیای ظریف را به‌درستی نگه دارند، یا بیش‌ازحد نرم هستند و نمی‌توانند اجسام سنگین را مدیریت کنند. اما این دستگاه جدید این مشکل را با ترکیب یک پوشش انعطاف‌پذیر و یک قاب داخلی حل کرده است.
ویژگی‌های کلیدی دست پروتزی جدید:
- مفاصل نرم پر از هوا: قادر به نگه داشتن اشیای شکننده بدون خرد کردن آن‌ها.
- هسته‌ی سخت داخلی: برای ایجاد پایداری کافی در هنگام بلند کردن یا گرفتن اجسام محکم‌تر.
سانکار توضیح داد:
«ما در حال ترکیب مزایای رباتیک سخت و نرم هستیم تا دست انسان را شبیه‌سازی کنیم. دست انسان نه کاملاً سخت است و نه کاملاً نرم؛ بلکه یک سیستم ترکیبی است که در آن استخوان‌ها، مفاصل نرم و بافت‌ها با هم کار می‌کنند. ما می‌خواهیم پروتز ما نیز همین ویژگی را داشته باشد.»
وی همچنین اشاره کرد که این روش یک حوزه کاملاً جدید برای رباتیک و پروتزها محسوب می‌شود، زیرا تاکنون این فناوری ترکیبی به‌طور کامل مورد استفاده قرار نگرفته است.
بازگرداندن حس لامسه
یکی از مهم‌ترین جنبه‌های این دست پروتزی، بازگرداندن حس لمس برای افراد دارای قطع عضو است. این دستگاه از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای پردازش سیگنال‌های دریافتی از حسگرهای مصنوعی موجود در نوک انگشتان استفاده می‌کند.
این سیگنال‌ها با فعالیت عضلانی در ساعد ترکیب می‌شوند تا میزان فشار، موقعیت انگشتان و چابکی کلی دست را تنظیم کنند.
سانکار در این باره گفت:
«اطلاعات حسی دریافتی از انگشتان این پروتز، به زبان اعصاب ترجمه می‌شوند تا از طریق تحریک الکتریکی اعصاب، بازخورد حسی طبیعی فراهم شود. هر یک از مفاصل نرم پر از هوای این دست می‌توانند با عضلات ساعد کنترل شوند.»
برای بسیاری از کاربران پروتز، توانایی “حس کردن” اشیا به همان اندازه مهم است که بتوانند آن‌ها را نگه دارند.
دست‌های پروتزی مشابه دست واقعی
نیتیش تاکور، استاد مهندسی زیست‌پزشکی دانشگاه جانز هاپکینز و مدیر این پژوهش، معتقد است که هر دست پروتزی که قرار است شبیه به دست واقعی باشد، باید دارای سه ویژگی کلیدی باشد:
- حسگرهایی که بتوانند تشخیص دهند دست چه چیزی را لمس می‌کند.
- سیستمی که این داده‌ها را به سیگنال‌های عصبی‌مانند تبدیل کند.
- توانایی ارسال این سیگنال‌ها به اعصاب کاربر، به شکلی که مانند سیگنال‌های یک اندام طبیعی درک شوند.
تاکور توضیح داد:
«اگر یک فنجان قهوه را در دست داشته باشید، چطور متوجه می‌شوید که دارد از دستتان می‌افتد؟ کف دست و نوک انگشتان شما سیگنال‌هایی را به مغز ارسال می‌کنند که نشان می‌دهد فنجان در حال لغزیدن است.»
«سیستم ما از الگوهای عصبی الهام گرفته شده است – این سیستم، گیرنده‌های لمسی دست را شبیه‌سازی می‌کند تا پیام‌هایی مشابه سیگنال‌های عصبی تولید کند. در نتیجه، “مغز” پروتز (یا همان رایانه‌ی آن) می‌تواند تشخیص دهد که یک شیء داغ است یا سرد، نرم است یا سخت، و آیا در حال لیز خوردن از دست است یا نه.»
آزمایش موفق روی اشیای روزمره
محققان این دست را در آزمایشگاه و بر روی ۱۵ شیء مختلف، از جمله حیوانات عروسکی، اسفنج‌های ظرف‌شویی، آناناس و جعبه‌های مقوایی محکم، مورد آزمایش قرار دادند.
نتایج آزمایش:
- این دست توانست به‌درستی ویژگی‌های هر شیء را تشخیص داده و میزان فشار خود را بر اساس آن تنظیم کند.
- نرخ موفقیت ۹۹.۶۹٪ در گرفتن و مدیریت اشیاء بدون خطا، که یک پیشرفت قابل‌توجه نسبت به پروتزهای موجود محسوب می‌شود.
- در یک آزمایش خاص، این دست یک لیوان پلاستیکی نازک پر از آب را تنها با سه انگشت بلند کرد، بدون اینکه لیوان فرو رود یا آب بریزد.
آینده‌ی پروتزها چگونه خواهد بود؟
تاکور معتقد است که این روش ترکیبی، نه‌تنها برای افراد دارای قطع عضو، بلکه برای کل صنعت رباتیک نیز مفید خواهد بود.
چرا این فناوری مهم است؟
- ربات‌هایی که بتوانند اشیای شکننده (مانند ظروف شیشه‌ای) را نگه دارند، در عین حال توانایی جابه‌جایی اشیای سنگین‌تر را نیز داشته باشند، برای محیط‌هایی مانند انبارها و بیمارستان‌ها ضروری خواهند بود.
- این نوع چابکی ترکیبی نه‌تنها برای پروتزهای نسل آینده حیاتی است، بلکه دست‌های رباتیک آینده نیز به چنین قابلیتی نیاز دارند.
تاکور در این باره گفت:
«دست‌های رباتیکی که در آینده ساخته می‌شوند، فقط برای بلند کردن اشیای بزرگ و سنگین طراحی نخواهند شد. آن‌ها باید بتوانند با موادی مانند شیشه، پارچه و اسباب‌بازی‌های نرم نیز کار کنند.»
وی افزود:
«به همین دلیل، یک ربات ترکیبی که مانند دست انسان طراحی شده باشد، ارزشمند است – زیرا ساختاری نرم و سخت را با هم ترکیب می‌کند، درست مانند پوست، بافت و استخوان‌های بدن ما.»
با پیشرفت این فناوری، احتمالاً در آینده پروتزهایی طبیعی‌تر تولید خواهند شد که به کاربران اجازه می‌دهند محدوده‌ی کامل حرکت و احساسات لمسی را بازیابند.
این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.
