Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

Wenn ein Schlaganfall oder eine schwere Verletzung die Nerven, die eine Hand steuern, beschädigt, ist das Ergebnis oft ein Verlust der Feinmotorik. Der Arm mag sich zwar noch bewegen, aber die Finger verlieren die Fähigkeit, sich um Objekte zu formen, wodurch eine einfache Aufgabe wie das Aufheben einer Tasse zu einem unmöglichen Kampf wird. Für Millionen von Menschen, die mit dieser Erkrankung leben, besteht der Standardweg zur Genesung aus repetitiver Therapie, bei der sie ihre beeinträchtigte Hand immer und immer wieder bewegen üben. Ein anderer Ansatz hat jedoch in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen: die bilaterale Spiegelung. Dieses Konzept beruht auf der natürlichen Tendenz des Gehirns, Bewegungen zu kopieren. Wenn eine Person ihre gesunde Hand bewegt, sendet das Gehirn oft ähnliche Signale an die verletzte Hand. Indem man die präzisen Bewegungen der gesunden Hand erfasst und die verletzte Hand mechanisch dazu zwingt, zu folgen, hoffen Therapeuten, das Gehirn neu zu trainieren und die Funktion wiederherzustellen. Die Herausforderung bestand schon immer darin, ein Gerät zu bauen, das leicht genug ist, um getragen zu werden, stark genug, um eine steife Hand zu bewegen, und intelligent genug, um die komplexe, unabhängige Beugung jedes Fingergelenks nachzuahmen, ohne den Benutzer zu belasten.

Zwei Highschool-Forscher, Vishnu Iyengar und Leo Sitaraman, haben einen Prototyp entwickelt, der diese Probleme löst, indem er die Sensorik vom Antrieb trennt. Ihr System besteht aus zwei Hauptteilen: einem Handschuh, der an der gesunden Hand getragen wird, und einem leichten Exoskelett, das an der verletzten Hand getragen wird. Der Handschuh ist mit kleinen Sensoren ausgestattet, die den Winkel der Fingergelenke messen, während der Benutzer sich bewegt. Anstatt zu versuchen, die Bewegung mit direkt an den Fingern befestigten Motoren zu replizieren, was die Hand klobig und unbequem machen würde, platzierten die Forscher alle Motoren am Unterarm. Dünne Kabel verlaufen von diesen Unterarmmotoren durch das Handgelenk nach oben zu den Fingern und ziehen diese in die korrekten Positionen. Dieses Design hält die Hand selbst frei von schweren Maschinen, was ein natürlicheres Gefühl und besseren Komfort bei der täglichen Nutzung ermöglicht.

Die Kerninnovation ihrer Arbeit liegt darin, wie sie die Finger steuern. Die meisten bestehenden Geräte behandeln einen Finger als eine einzige Einheit, die gleichzeitig gebeugt wird. Aber menschliche Finger sind komplexer; sie haben ein Knöchelchen, wo der Finger auf die Handfläche trifft, und ein mittleres Gelenk, das unabhängig gebeugt werden kann. Um eine echte Hand wirklich nachzuahmen, muss ein Gerät beide dieser Gelenke separat steuern können. Die Forscher erreichten dies durch ein geschicktes Kabelsystem. Für jeden Finger führen zwei separate Kabel von den Unterarmmotoren zum Finger. Durch das Ziehen an einem Kabel kann das System den Finger am Knöchel beugen. Durch das Ziehen am anderen Kabel oder durch das Ziehen eines Kabels bei gleichzeitigem Loslassen des anderen kann das System das mittlere Gelenk unabhängig beugen. Dies ermöglicht es dem Gerät, komplexe Formen zu erzeugen, wie etwa den spezifischen Griff, der benötigt wird, um ein Buch aus einem Regal zu ziehen, was schwierig ist, wenn die Gelenke gezwungen sind, sich gemeinsam zu bewegen.

Um dieses System funktionsfähig zu machen, mussten die Forscher mehrere technische Rätsel lösen. Der Handschuh musste genau genug sein, um subtile Bewegungen zu erfassen. Sie testeten dies, indem sie die Sensormessungen mit der tatsächlichen Position eines Fingers verglichen, der vor und zurück bewegt wurde. Die Sensoren waren in der Lage, den Winkel des Fingers mit einem durchschnittlichen Fehler von nur etwas über einem Grad zu verfolgen, was bemerkenswert präzise ist. Um die Daten jedoch glatt und frei von Zittern zu machen, mussten sie einen digitalen Filter anwenden, der die Messwerte mittelt. Dies führte zu einer leichten Verzögerung, oder einem Lag, von etwa 312 Millisekunden zwischen der Bewegung der gesunden Hand und der Aufzeichnung dieser Bewegung. Obwohl diese Verzögerung spürbar ist, ist sie kurz genug, dass das System für viele Aufgaben in Echtzeit funktionieren kann.

Die Exoskelett-Seite des Systems sah sich eigenen Hürden gegenüber. Die Forscher fanden heraus, dass das bloße Ziehen an Kabeln nicht ausreichte, um eine steife, gelähmte Hand mit der notwendigen Kraft zu bewegen. Frühe Versionen des Designs verwendeten Gummibänder, um zu helfen, die Finger in eine offene Position zurückzuziehen, aber diese Bänder kämpften gegen die Motoren an, verschwendeten Energie und reduzierten die Stärke der Bewegung. Sie ersetzten die Gummibänder schließlich durch einen zweiten Satz von Kabeln, die in die entgegengesetzte Richtung ziehen. Diese Änderung verdreifachte die Kraft, die das Gerät aufbringen konnte, mehr als nur geringfügig, was es dem Gerät ermöglichte, mit einem Widerstand von etwa 1,2 Newton pro Finger zu drücken. Trotz dieser Verbesserungen entsprach das Gerät den vorgegebenen Bewegungen nicht perfekt. Wenn die Forscher das Gerät anwiesen, einen Finger um 90 Grad zu beugen, erreichte es oft nur etwa 50 bis 59 Grad. Diese Einschränkung wurde durch die physische Struktur des Geräts und das leichte Dehnen der Kabel verursacht, was verhinderte, dass der volle Bewegungsspielraum erreicht wurde.

Die Forscher testeten das System auch als Gesamteinheit, indem sie den Handschuh an einer Hand und das Exoskelett an der anderen trugen. Sie fanden heraus, dass das Gerät verschiedene Handposen erfolgreich spiegeln konnte, von einer entspannten offenen Hand bis hin zu einer festen Faust. Die Bewegung der verletzten Hand folgte im Allgemeinen der gesunden Hand, hinkte ihr jedoch konsequent um einen Bruchteil einer Sekunde hinterher. Wenn sie untersuchten, wie genau die Winkel der beiden Hände übereinstimmten, war die Korrelation für einige Gelenke stark, aber für andere schwächer, insbesondere für das mittlere Gelenk des Ringfingers. Dies deutet darauf hin, dass das System zwar funktioniert, aber noch Raum für Verbesserungen bei der Führung der Kabel und der Anpassung des Geräts an die einzigartige Anatomie verschiedener Benutzer besteht.

Eines der praktischsten Merkmale des Designs ist ein einfacher Schalter, der es dem Benutzer ermöglicht, die Spiegelung zu pausieren. Bei vielen täglichen Aktivitäten, wie etwa dem Öffnen einer Flasche, muss eine Hand das Objekt festhalten, während die andere den Verschluss dreht. Wenn das Gerät ständig spiegeln würde, würde die verletzte Hand versuchen, die Drehbewegung zu kopieren, was die Aufgabe unmöglich machen würde. Durch das Umlegen des Schalters kann der Benutzer die verletzte Hand in einer bestimmten Position fixieren, sie dort halten und die gesunde Hand nutzen, um den anderen Teil der Aufgabe auszuführen. Diese Fähigkeit, die Hände zu entkoppeln, ist entscheidend dafür, dass das Gerät in realen Szenarien, nicht nur in einer Therapieeinrichtung, nützlich ist.

Das Projekt demonstriert, dass es möglich ist, einen tragbaren Roboter zu bauen, der zwei verschiedene Gelenke in jedem Finger misst und bewegt, während er die gesamte schwere Mechanik vom eigentlichen Handrücken fernhält. Die Forscher bewiesen, dass die unabhängige Steuerung der Fingergelenke machbar ist und dass das System genügend Kraft erzeugen kann, um nützlich zu sein. Sie räumten jedoch auch ein, dass der aktuelle Prototyp noch nicht perfekt ist. Die durch den Glättungsfilter verursachte Verzögerung ist länger als ideal, und das Gerät kann die Finger noch nicht über ihren vollen natürlichen Bewegungsspielraum hinaus bewegen. Zukünftige Versionen müssen Wege finden, diese Verzögerung zu verringeres und die Bewegungsstärke zu erhöhen, ohne an Sperrigkeit zuzunehmen. Für den Moment stellt die Arbeit einen bedeutenden Schritt nach vorn dar und zeigt, dass ein kostengünstiges, komfortables Gerät eines Tages Menschen helfen könnte, die Feinmotorik ihrer Hände zurückzugewinnen, die sie verloren haben.