17/08/2021
Door Ad Spijkers
Voor de meer dan vijf miljoen mensen in de wereld die een amputatie van de bovenste ledematen hebben ondergaan, hebben protheses een lange weg afgelegd.
Behalve traditionele etalagepop-achtige aanhangsels zijn er steeds meer commerciële neuroprotheses, sterk gearticuleerde bionische ledematen. Deze zijn ontworpen om de resterende spiersignalen van een gebruiker te detecteren en robotisch hun beoogde bewegingen na te bootsen. Maar deze hightech handigheid heeft een prijs. Neuroprotheses kunnen tienduizenden euro's kosten en zijn gebouwd rond metalen skeletten, met elektromotoren die zwaar en stijf kunnen zijn.
Licht en goedkoop
Technici aan het Massachusetts Institute of Technology en de Shanghai Jiao Tong University hebben een zachte, lichtgewicht en mogelijk goedkope neuroprothetische hand ontworpen. Geamputeerden die het kunstledemaat testten, voerden dagelijkse activiteiten uit, zoals een koffer dichtritsen, een pak sap inschenken en een kat aaien. Dit ging net zo goed als – en in sommige gevallen beter dan – bij degenen met meer rigide neuroprotheses.
De onderzoekers ontdekten dat de prothese, ontworpen met een systeem voor tactiele feedback, een primitief gevoel in het rest-ledemaat van een vrijwilliger herstelde. Het nieuwe ontwerp is duurzaam en herstelt snel nadat het met een hamer is geraakt of met een auto is overreden. De slimme hand is zacht en elastisch en weegt paar een paar ons. De componenten kosten in totaal ongeveer € 500 – een fractie van het gewicht en de materiaalkosten die gepaard gaan met stijvere slimme ledematen.
De onderzoekers benadrukken dat het nog geen concreet product is, maar de prestaties zijn al vergelijkbaar of superieur aan bestaande neuroprotheses. Er is een groot potentieel om deze zachte prothese goedkoop te produceren, voor gezinnen met een laag inkomen die hebben geleden onder amputatie.
Big Hero hand
Het plooibare nieuwe ontwerp van het team vertoont een griezelige gelijkenis met een bepaalde opblaasbare robot in de animatiefilm Big Hero 6. Net als de weke Android uit de film is de kunstmatige hand van het team gemaakt van zacht, rekbaar materiaal (EcoFlex). De prothese bestaat uit vijf ballonachtige vingers met ingebedde vezelsegmenten, vergelijkbaar met gearticuleerde botten in echte vingers. De buigzame ledematen zijn verbonden met een 3D-geprinte 'palm' in de vorm van een menselijke hand.
De onderzoekers ontwikkelden een computermodel om de gewenste positie van een vinger te relateren aan de overeenkomstige druk die een pomp zou moeten uitoefenen om die positie te bereiken. Met behulp van dit model ontwikkelde het team een controller die het pneumatische systeem aanstuurt om de vingers op te blazen. Dit gebeurt in posities die vijf gebruikelijke grepen nabootsen, waaronder twee en drie vingers samenknijpen, een gebalde vuist maken en de handpalm tot een kom vormen.
Aansturing
De meeste neuroprotheses besturen elke vinger met behulp van kleine elektromotoren. De onderzoekers daarentegen gebruikten een eenvoudig pneumatisch systeem om vingers nauwkeurig op te blazen en in specifieke posities te buigen. Dit systeem, inclusief een kleine pomp en ventielen, kan in de taille worden gedragen, waardoor het gewicht van de prothese aanzienlijk wordt verminderd.
Het pneumatische systeem ontvangt signalen van elektromyografiesensoren (EMG-sensoren) die elektrische signalen meten. De signalen worden gegenereerd door motorneuronen om spieren te besturen. De sensoren worden aangebracht bij de opening van de prothese, waar deze aan het ledemaat van een gebruiker wordt bevestigd. In deze opstelling kunnen de sensoren signalen opvangen van een restledemaat, bijvoorbeeld wanneer een geamputeerde zich voorstelt een vuist te maken.
Het team gebruikte een bestaand algoritme dat spiersignalen 'decodeert' en relateert aan veelvoorkomende grijptypen. Ze gebruikten dit algoritme om de controller voor hun pneumatische systeem te programmeren. Wanneer een geamputeerde zich bijvoorbeeld voorstelt een wijnglas vast te houden, pikken de sensoren de resterende spiersignalen op, die de controller vervolgens vertaalt in overeenkomstige drukken. De pomp oefent vervolgens die druk uit om elke vinger op te blazen en de beoogde greep van de geamputeerde te produceren.
De onderzoekers gingen een stap verder in hun ontwerp en probeerden tactiele feedback mogelijk te maken, een functie die niet is opgenomen in de meeste commerciële neuroprothesen. Om dit te doen, plaatsten ze op elke vingertop een druksensor. Deze produceert bij aanraking of knijpen een elektrisch signaal dat evenredig is met de waargenomen druk. Elke sensor is verbonden met een specifieke locatie op het restledemaat van een geamputeerde. De gebruiker kan hierdoor 'voelen' wanneer bijvoorbeeld de duim van de prothese wordt ingedrukt ten opzichte van de wijsvinger.
Goede grip
Om de opblaasbare hand te testen, vroegen de onderzoekers twee vrijwilligers, elk met amputaties van de bovenste ledematen. Deze leerden de neuroprothese te gebruiken door herhaaldelijk de spieren in hun arm samen te trekken terwijl ze zich voorstelden vijf grepen te maken.
Na het voltooien van deze 15 minuten durende training werd de vrijwilligers gevraagd om een aantal standaard tests uit te voeren om manuele kracht en behendigheid aan te tonen. Deze taken omvatten schijven stapelen, pagina's omslaan, schrijven met een pen, zware ballen optillen en kwetsbare voorwerpen zoals aardbeien en brood oppakken. Ze herhaalden dezelfde tests met een stijvere, in de handel verkrijgbare bionische hand en ontdekten dat de opblaasbare prothese bij de meeste taken even goed of zelfs beter was in vergelijking met zijn stijve tegenhanger.
Een van de vrijwilligers was ook in staat om de zachte prothese intuïtief te gebruiken bij dagelijkse activiteiten, bijvoorbeeld om voedsel zoals crackers, cake en appels te eten, en om voorwerpen en gereedschappen te hanteren, zoals laptops, flessen, hamers en tangen. Deze vrijwilliger kon de zachte prothese ook veilig manipuleren, bijvoorbeeld om iemand de hand te schudden, een bloem aan te raken en een kat te aaien.
In een bijzondere oefening blinddoekten de onderzoekers de vrijwilliger en ontdekten dat hij kon onderscheiden met welke prothesevinger ze prikten en borstelden. Hij was ook in staat om flessen van verschillende groottes die in de prothesehand werden geplaatst, te 'voelen' en als reactie daarop op te tillen. Het team ziet deze experimenten als een veelbelovend teken dat geamputeerden een vorm van sensatie en real-time controle kunnen terugkrijgen met de opblaasbare hand.
Vervolg
Er zijn vier grijptypen, maar er kunnen er meer meer zijn. Het ontwerp kan worden verbeterd, met betere decoderingstechnologie, myo-elektrische arrays met een hogere dichtheid en een compactere pomp die om de pols kan worden gedragen. De onderzoekers willen het ontwerp ook aanpassen voor massaproductie, zodat ze zachte robottechnologie kunnen vertalen naar de samenleving.