I ricercatori integrano la stampa 3D e i sensori indossabili per rendere accessibile la mano protesica
Un trio di ricercatori della UC Berkeley e dell’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong hanno recentemente pubblicato un documento, intitolato ” Kit di abilitazione meccatronica per protesi a mano stampate in 3D “, su come hanno lavorato per integrare sensori indossabili e robotica economica con la stampa 3D al fine di “Abilitare l’accessibilità” nel settore delle protesi elettriche. Tat Hang Wong , Davide Asnaghi e Suk Wai Winnie Leung hanno utilizzato la loro piattaforma di prodotti meccatronici, Sparthan, per le loro ricerche.
Il riassunto recita: “Sparthan sfrutta i sensori EMG di terze parti, la fascia da braccio Myo, per elaborare i dati dei sensori muscolari e tradurre l’intenzione dell’utente in movimenti della mano. L’innovazione chiave comprende la modularità, la scalabilità e l’alto grado di personalizzazione che la soluzione offre agli utenti target. Gli approcci di progettazione incentrati sull’utente e la progettazione di sistemi meccatronici sono dettagliati per dimostrare la versatilità dei sistemi e della progettazione integrativi. Quello che è iniziato come uno sforzo di ricerca ingegneristica è anche posizionato per essere implementato per offrire un impatto reale, in particolare per gli utenti di protesi nei paesi in via di sviluppo.
Grazie ai molteplici progressi negli approcci computazionali e neuroscientifici, il panorama dei dispositivi intelligenti progettati per servire le disabilità legate alla mobilità è cambiato in modo significativo. Mentre il progetto originariamente derivava da un’iniziativa per l’innovazione degli studenti, il team pensa che la loro soluzione sarà vantaggiosa per adulti, bambini e anziani che necessitano di protesi manuali nei paesi in via di sviluppo.
Le protesi più potenti che consentono movimenti di base non sono economiche, il che è difficile quando i bambini crescono così rapidamente. I ricercatori hanno dettagliato alcune altre organizzazioni che lavorano per sviluppare soluzioni protesiche migliori, come e-NABLE , il progetto Million Hands di UC Berkeley e Open Bionics .
“Le ricerche di mercato mostrano una lacuna nel mercato per una soluzione che fornisce protesi accessibili e accessibili”, hanno scritto i ricercatori.
“Il basso costo e l’accessibilità, tuttavia, non sono sufficienti per creare un impatto significativo in modo scalabile e adattabile. Nell’ambito di questo progetto, utilizziamo un ciclo di sviluppo prodotto snello, l’apprendimento automatico per il riconoscimento dei gesti e il controllo adattivo basato su modelli per implementare la prima versione di Sparthan. “
Hanno svolto ricerche di mercato a Pechino, Hong Kong, San Francisco e Seul e hanno stabilito che le esigenze degli utenti più importanti per una mano protesica sono l’aspetto, la durata, la funzionalità e il peso. Quindi, i ricercatori hanno utilizzato un modello Kano e un QFD semplificato per espandere alcuni requisiti importanti, che sono dettagliati nella tabella seguente.
Le persone intervistate continuavano a menzionare lo stesso punto di dolore – che le loro protesi erano scomode e difficili da adattare. Quindi i ricercatori di Sparthan hanno lavorato duramente per assicurarsi che il loro prodotto fosse più accessibile agli utenti finali, con requisiti di progettazione più semplici come:
- la compatibilità con i modelli di mani 3D esistenti attraverso più versioni
- semplici procedure di installazione, inclusi tutorial video e meccanismo a scatto
- interfaccia utente intuitiva per processi fai-da-te basati su app, come la mappatura dei gesti e la scansione 3D
- Sparthan è compatibile con tutti i modelli 3D esistenti basati sulla stampa di giunti flessibili e i segnali EMG dall’avambraccio del paziente vengono utilizzati per l’interfaccia utente.
“Muscoli e tendini sono ancora presenti nell’avambraccio o in caso di amputazione o in caso di malformazione congenita”, hanno spiegato i ricercatori. “Questi muscoli rimanenti possono essere contratti e controllati direttamente dal paziente, fornendo un modo intuitivo e veloce per interagire con la mano protesica.”
Il palmo contiene un’unità di microcontrollore, che elabora i segnali e determina quando viene eseguito un determinato gesto; i micro motori elettrici incorporati vengono utilizzati per azionare le dita corrispondenti.
Il sistema meccanico di una mano protesica equipaggiata con Sparthan ha due sezioni principali: il modulo in policarbonato, che consente il controllo mioelettrico delle mani protesiche stampate in 3D e della mano stessa. Il pezzo di filo nella protesi è guidato da percorsi cavi instradati attraverso l’alloggiamento del modulo. Il modulo può essere realizzato tramite stampa 3D o impilando fogli di plastica tagliati al laser.
“Il modulo Sparthan è progettato in modo tale da poter essere facilmente inserito in modelli di protesi stampabili 3D con semplici modifiche”, hanno scritto i ricercatori. “L’uso di un metodo di produzione additiva come la stampa 3D presenta numerosi vantaggi nella progettazione di dispositivi protesici, in particolare per quanto riguarda la personalizzazione. Comfort e vestibilità sono fattori chiave per qualsiasi protesi e, a causa dell’elevato grado di personalizzazione richiesto, è intrinsecamente difficile produrre in serie questi dispositivi con metodi tradizionali. “
Il team ha modellato la sua prima mano protesica pronta per Sparthan dopo il modello Flexy Hand 2. Le articolazioni delle dita sono state stampate in 3D con un filamento flessibile, in modo che possano spostarsi facilmente in posizione dopo che i motori le flettono.
Ciò che distingue Sparthan dalle altre mani protesiche stampate in 3D è la sua capacità di utilizzare i motori per controllare il movimento delle dita. Il dispositivo utilizza una fascia da braccio Myo disponibile in commercio di Thalmic Labs per registrare e trasmettere otto diversi segnali EMG lungo l’avambraccio e il team ha progettato un PCB personalizzato per ricevere ed elaborare i dati tramite un modulo Bluetooth.
Un’app per smartphone con una fotocamera viene utilizzata per creare un modello 3D accurato della mano e del braccio dell’utente e viene successivamente inviata per essere stampata in 3D in un luogo vicino all’utente reale.
“La collaborazione con makerpace e scuole consente a Sparthan di sfruttare appieno la rete già esistente di stampanti 3D”, hanno spiegato i ricercatori. “L’elettronica è progettata per essere plug-and-play, il che significa che una volta stampata la mano è solo questione di far scattare il modulo che verrà spedito sul posto. L’obiettivo è massimizzare le opportunità per gli utenti finali di essere coinvolti nel processo di adattamento tramite strumenti online “.
Quest’anno il team prevede di presentare il suo kit Sparthan agli stakeholder (utenti di protesi, unità di riabilitazione medica, ecc.) Per i beta test. Inoltre, i ricercatori hanno stretto partenariati con il progetto Million Hands e la “distribuzione di impatto sociale basata su sovvenzioni locali” al fine di aprire ulteriori opportunità di progetto.
“La messa a punto della modellizzazione del sistema e del controllo adattivo sarà effettuata in tandem per migliorare l’esperienza complessiva dell’imbarco sull’utente”, hanno concluso i ricercatori. “Infine, cerchiamo anche di utilizzare il concetto di kit di abilitazione meccatronico ad altre applicazioni oltre alla protesi manuale stampata in 3D; ad es. motorizzazione di esoscheletro leggero. “
