Потенциал мягкой робототехники в создании более естественного движения в протезных конечностях
Что такое мягкая робототехника?
Мягкая робототехника — это подполе робототехники, которое фокусируется на построении машин из высокосовместимых материалов, таких как силиконовые эластомеры, гидрогели и текстиль, а не из жестких металлов и пластмасс. Эти материалы могут подвергаться большим деформациям, позволяя роботам изгибаться, скручиваться, растягиваться и сжиматься способами, имитирующими биологические организмы. В отличие от традиционных роботов, которые полагаются на точные углы суставов и жесткие структуры, мягкие роботы используют принципы, такие как пневматическая инфляция, натяжение кабелей или сплавы памяти формы, для достижения движения. Результатом является система, которая может адаптировать свою форму к окружающей среде, так же, как рука осьминога или хобот слона. Это неотъемлемое соответствие делает мягкую робототехнику особенно хорошо подходящей для приложений, где требуется взаимодействие человека или тонкие манипуляции, такие как в медицинских устройствах, поисково-спасательных операциях и, в частности, протезных конечностях.
Фундаментальное различие между мягкой и жесткой робототехникой заключается не только в материалах; речь идет о философии управления. Жесткие роботы требуют точного математического моделирования и управления обратной связью, чтобы избежать ошибок, тогда как мягкие роботы могут полагаться на свои физические свойства для пассивной адаптации, упрощая управление во многих сценариях. Для протезов это означает конечность, которая может соответствовать неровной местности, поглощать удары без сложных систем демпфирования и обеспечивать более удобный интерфейс с телом пользователя.
Преимущества мягкой робототехники в протезировании
Применение мягкой робототехники к протезам конечностей затрагивает несколько давних ограничений обычных жестких протезов. Ниже приведены ключевые преимущества, которые стимулируют исследования и разработки в этой области.
Улучшенный комфорт и фитнес
Традиционные протезные розетки часто изготавливаются из твердого пластика или углеродного волокна, что может вызывать точки давления, раздражение кожи и дискомфорт, особенно при длительном использовании. Мягкие роботизированные компоненты могут быть интегрированы в розеточный вкладыш или саму конечность, используя материалы, которые близко соответствуют форме остаточной конечности. Это снижает пиковое давление и позволяет более равномерно распределять силы. Некоторые конструкции включают мягкие, надувные мочевые пузыри, которые динамически регулируют прилегание в течение дня, компенсируя изменения объема остаточной конечности, которые обычно происходят из-за смещений жидкости или изменений температуры. Эта непрерывная адаптация значительно улучшает комфорт ношения и снижает риск разрушения кожи.
Больше естественных движений
Жесткие протезные суставы производят вялотекущие, роботизированные движения, которые требуют сознательных усилий от пользователя для управления. Мягкая робототехника позволяет более плавные, более плавные движения с помощью гибких приводов, которые имитируют работу биологических мышц. Например, пневматические искусственные мышцы (также известные как мышцы Маккиббена) сокращаются при надувании, близко напоминающие сокращение человеческой мышцы. Когда они расположены в антагонистических парах вокруг сустава, они могут производить совместимые, естественно выглядящие сгибания и расширения. Мягкая роботизированная рука может захватывать объекты с переменной жесткостью, обертывая вокруг хрупкого предмета, такого как яйцо, не раздавливая его, что-то жесткое движение руки изо всех сил пытается сделать. Это движение жидкости снижает когнитивную нагрузку на пользователя и улучшает функциональность конечности в повседневных задачах.
Улучшенная отзывчивость и контроль
Мягкие датчики, встроенные в протезный интерфейс, могут обнаруживать сокращения мышц, электрические сигналы (ЭМГ) или даже изменения объема конечностей с высокой чувствительностью. Поскольку материалы совместимы, они могут быть размещены непосредственно на коже, обеспечивая богатый поток данных без дискомфорта жестких электродов. Эти датчики позволяют пропорциональный контроль : чем сильнее пользователь сгибает мышцу, тем быстрее или сильнее движется протез. Это резкое улучшение по сравнению с контролем включения/выключения, типичным для многих текущих миоэлектрических протезов. Исследователи также разрабатывают мягкие сенсорные кожуры, которые обеспечивают тактильную обратную связь, позволяя пользователям ощущать давление, текстуру и температуру, что усиливает чувство воплощения и контроля.
Безопасность
Одним из наиболее важных преимуществ мягкой робототехники является безопасность. Традиционные протезы конечностей тяжелые и имеют высокую инерцию; если они неожиданно качаются, они могут травмировать пользователя или людей поблизости. Мягкие роботизированные протезы, будучи легкими и совместимыми, поглощают энергию воздействия , а не передавать ее жестко. Это свойство особенно важно для детей или пожилых пользователей. Кроме того, если мягкий привод выходит из строя, он обычно сдувается или расслабляется безвредно, тогда как жесткий моторизованный сустав может блокироваться или спазм. Это неотъемлемое соответствие делает мягкие протезы по своей сути более безопасными как для пользователя, так и для их среды.
Современные разработки в области мягкой роботизированной протезирования
Область мягких роботизированных протезов быстро развивается, и несколько перспективных прототипов и исследовательских проектов демонстрируют потенциал этой технологии. Эти разработки охватывают приложения для верхней и нижней конечностей, каждое из которых имеет уникальные проблемы и инновации.
Мягкие роботизированные руки и руки
Несколько лабораторий разработали мягкие роботизированные руки, которые включают гибкие пальцы, приводимые в действие сухожилиями или пневматическими каналами. Soft Robotics Toolkit в Гарвардском университете предоставляет проекты с открытым исходным кодом для мягких захватов, которые были адаптированы к протезным рукам. Эти руки способны выполнять тонкие задачи, такие как подбор винограда или захват ручки инструмента с переменной силой. Последние работы включают в себя встраивание мягких датчиков в кончики пальцев для обеспечения обратной связи с силой пользователя через вибрацию или электрическую стимуляцию на остаточной конечности. Такие компании, как Össur и Touch Bionics (теперь часть Össur) начали включать мягкие элементы в коммерческие протезы рук, такие как силиконовые подушки для пальцев и гибкие суставные крышки, хотя полностью
Мягкие роботизированные ноги и лодыжки
Протезы нижних конечностей получают выгоду от мягкой робототехники за счет улучшения походки и энергоэффективности. Традиционные протезы ног часто имеют фиксированную пружинную реакцию, которая может ощущаться неестественно. Мягкие роботизированные лодыжки используют пневматические или гидравлические приводы , чтобы активно регулировать жесткость и положение лодыжки во время цикла ходьбы. Например, мягкая роботизированная нога может хранить энергию во время фазы стойки и высвобождать ее во время отжима, имитируя естественную функцию ахиллова сухожилия и икроножных мышц. Исследователи из Университета Вандербильта создали протез мягкой лодыжки, который использует серию искусственных мышц для обеспечения силового сгибания, снижая метаболические затраты на ходьбу для ампутированных. Ранние испытания показали, что пользователи, идущие с этими мягкими роботизированными ногами, имеют более симметричную походку и сообщают о меньшей усталости.
Интеграция мягких датчиков
Не менее важным, как приведение в действие, является зондирование. Разрабатываются растягиваемые электронные скины (электронные скины), которые могут быть ламинированы над протезным разъемом или даже вплетены в структурный материал. Эти электронные скины содержат массивы тензодатчиков, датчиков давления и датчиков температуры, которые обеспечивают богатую обратную связь. Алгоритмы машинного обучения затем интерпретируют эти сигналы для прогнозирования предполагаемого движения пользователя. Например, пилотное исследование показало, что мягкий рукав датчика, размещенный на остаточной конечности, может надежно классифицировать различные схемы захвата (захват мощности, щипцы, штатив) с точностью более 90%, что позволяет интуитивно контролировать без необходимости дополнительной подготовки.
Проблемы, которые необходимо преодолеть
Несмотря на очевидные преимущества, мягкие роботизированные протезы сталкиваются со значительными препятствиями, которые необходимо устранить, прежде чем широкое распространение станет возможным.
Материальная долговечность и усталость
Мягкие материалы, особенно эластомеры, подвержены разрывам, проколам и деградации от ультрафиолетового света и пота. Протезная конечность должна выдерживать годы ежедневного использования, включая воздействие грязи, влаги и экстремальных температур. Текущие исполнительные механизмы на основе силикона часто выходят из строя после тысяч циклов, что намного меньше миллионов циклов, необходимых для надежного протеза. Исследователи изучают самоисцеляющие материалы и , которые могут изгибаться, но остаются устойчивыми. Другой подход заключается в использовании мягких исполнительных механизмов на основе текстиля, которые более надежны и легче производить.
Контроль сложности
В то время как мягкая робототехника может упростить некоторые аспекты движения посредством пассивного соблюдения, управление многими степенями свободы мягкой конечности остается проблемой. Нелинейное поведение мягких материалов затрудняет точное прогнозирование, требуя продвинутых алгоритмов управления, часто включающих глубокое обучение или модель предиктивного управления. Эти алгоритмы должны работать в режиме реального времени на встроенном процессоре с низким энергопотреблением внутри протеза. Кроме того, система управления должна быть адаптируемой к уникальным анатомическим и мышечным сигналам каждого отдельного пользователя. Продолжающиеся исследования интуитивных интерфейсов управления , которые сочетают слияние датчиков с адаптивными алгоритмами направлены на решение этой проблемы.
Власть и приведение в действие
Мягкие приводы часто требуют насосов или компрессоров для подачи пневматического давления, которые являются громоздкими, шумными и энергоемкими. Для портативного протеза эти компоненты должны быть миниатюризированы и эффективны. Срок службы батареи является критической проблемой: мягкая роботизированная рука может работать в течение 12-16 часов на одном заряде. Некоторые исследовательские группы работают над электрически приводимыми в действие мягкими приводами , такими как диэлектрические эластомеры или сплавы с памятью формы, которые могут приводиться в действие компактными аккумуляторными батареями, но в настоящее время имеют меньшую силу и скорость, чем пневматические системы. Альтернативно, гидравлические системы с использованием миниатюрных насосов предлагают среднюю точку с точки зрения плотности мощности и шума.
Стоимость и производство
Протезы уже дороги, а передовые материалы, датчики и приводы, необходимые для мягкой робототехники, могут привести к еще более высоким затратам. Большинство мягких роботизированных компонентов в настоящее время производятся с использованием таких методов, как литье силикона или 3D-печать, которые нелегко масштабировать для массового производства. Разработка экономически эффективных методов производства, таких как литье мягких деталей или автоматизированная ламинация сенсорных слоев, имеет важное значение для привлечения этих устройств к более широкой популяции. Кроме того, модели страхования и возмещения должны развиваться, чтобы включить эти инновационные технологии.
Будущие перспективы и направления исследований
Траектория мягкой робототехники в протезировании указывает на все более реалистичные и интегрированные устройства. Несколько исследовательских направлений особенно перспективны в течение следующего десятилетия.
Искусственные мышцы и тендоны
Один святой Грааль - развитие искусственных мышц , которые соответствуют производительности человеческих мышц в мощности, скорости, эффективности и саморемонте. Такие технологии, как , витые и свернутые полимерные приводы (мышечная проволока) и , исследуются. При расположении в антагонистических парах они могут заменить громоздкие двигатели и насосы, что позволяет протезировать, которые полностью мягкие, бесшумные и высокоэффективные. Хотя все еще на ранних стадиях, эти материалы могут революционизировать поле в течение следующих десяти-двадцати лет.
Биомиметическая сенсорная обратная связь
Будущие мягкие протезы, вероятно, будут включать в себя сенсорную обратную связь с замкнутым контуром, которая напрямую взаимодействует с нервной системой пользователя. Благодаря интеграции мягких нейронных интерфейсов, которые мягко обертывают периферические нервы, может быть возможно не только контролировать конечность, но и чувствовать, к чему она прикасается. Исследователи объединяют мягкую электронику с биосовместимыми материалами для создания имплантатов, которые могут стимулировать нервные пучки, не вызывая повреждений. Это обеспечит истинное чувство воплощения, восстанавливая естественную петлю обратной связи между конечностью и мозгом.
Модульные и настраиваемые конструкции
Аддитивное производство (3D-печать) мягких материалов позволяет использовать высоко настраиваемые протезы по более низкой цене. Пациент может сканировать остаточные конечности, а мягкая роботизированная протезная розетка и система привода могут быть напечатаны в 3D, чтобы идеально соответствовать их анатомии. Модульные архитектуры позволят пользователям менять различные мягкие исполнительные механизмы или сенсорные модули в зависимости от их активности - ловкая рука для работы и надежный крючок для тяжелой подъемной силы, например. Этот уровень персонализации сложен с традиционными жесткими протезами, но присущ гибкости подхода мягкой робототехники.
Интеграция с экзоскелетами и реабилитация
Мягкая робототехника также обещает мягкие экзоскелеты , которые помогают движению конечностей для людей с мышечной слабостью, таких как выжившие после инсульта или страдающие мышечной дистрофией. Применяются те же принципы: совместимое, легкое и удобное увеличение. Эти устройства могут использоваться как вспомогательные протезы, так и реабилитационные инструменты для переподготовки мышечных моделей после травмы. Сближение мягких протезов и мягких экзоскелетов является естественным следующим шагом, размывая грань между компенсаторными и терапевтическими устройствами.
Заключение
Мягкая робототехника предлагает сдвиг парадигмы в дизайне протезов конечностей, отход от жестких, тяжелых и неинтуитивных устройств к совместимым, легким и адаптивным системам, которые тесно имитируют естественную биологию. Потенциальные преимущества в комфорте, естественности движения, отзывчивости и безопасности являются существенными и поддерживаются растущим объемом исследований и ранних прототипов. В то время как значительные проблемы остаются - особенно в долговечности, контроле, мощности и стоимости - каждое препятствие является предметом активного исследования материаловедами, робототехниками и клиницистами. В следующем десятилетии, вероятно, будут представлены первые коммерческие мягкие роботизированные протезы, которые действительно преодолевают разрыв между человеком и машиной, предлагая ампутированные не только заменяющие конечности, но и бесшовное расширение их собственных тел. По мере того, как эти технологии созревают, они обещают улучшить качество жизни для миллионов во всем мире, делая цель полностью естественного протезного движения достижимой реальностью.
Для дальнейшего чтения изучите работу Харвардской инициативы мягкой робототехники, которая стала пионером многих основных технологий, и Лаборатории реабилитационной инженерии Вандербильта для мягкого протезирования нижних конечностей. Лидеры отрасли, такие как Össur, дают представление о текущем коммерческом прогрессе. Академические обзоры, такие как опубликованный в Nature (2021), предлагают всеобъемлющий обзор мягкой робототехники в медицинских приложениях.