Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

Lorsqu'un accident vasculaire cérébral ou une blessure grave endommage les nerfs qui contrôlent la main, le résultat est souvent une perte de motricité fine. Le bras peut encore bouger, mais les doigts perdent leur capacité à se mouler autour d'objets, transformant une tâche simple comme ramasser une tasse en une lutte impossible. Pour des millions de personnes vivant avec cette condition, le parcours classique de récupération implique une thérapie répétitive, où elles pratiquent le mouvement de leur main affaiblie encore et encore. Cependant, une approche différente a gagné du terrain ces dernières années : le miroir bilatéral. Ce concept repose sur la tendance naturelle du cerveau à copier les mouvements. Si une personne bouge sa main saine, le cerveau envoie souvent des signaux similaires à la main blessée. En capturant les mouvements précis de la main saine et en forçant mécaniquement la main blessée à les suivre, les thérapeutes espèrent rééduquer le cerveau et restaurer la fonction. Le défi a toujours été de construire un dispositif suffisamment léger pour être porté, assez puissant pour bouger une main raide et assez intelligent pour imiter la flexion complexe et indépendante de chaque articulation du doigt sans alourdir l'utilisateur.

Deux lycéens, Vishnu Iyengar et Leo Sitaraman, ont construit un prototype qui relève ces problèmes en séparant la détection du mouvement. Leur système se compose de deux parties principales : un gant porté sur la main saine et un exosquelette léger porté sur la main blessée. Le gant est équipé de petits capteurs qui mesurent l'angle des articulations des doigts lorsque l'utilisateur bouge. Au lieu d'essayer de reproduire le mouvement avec des moteurs attachés directement aux doigts, ce qui rendrait la main encombrante et inconfortable, les chercheurs ont placé tous les moteurs sur l'avant-bras. Des câbles fins partent de ces moteurs de l'avant-bras, passent par le poignet et remontent jusqu'aux doigts, les tirant dans les bonnes positions. Cette conception permet de garder la main elle-même exempte de machinerie lourde, permettant une sensation plus naturelle et un meilleur confort lors de l'utilisation quotidienne.

L'innovation centrale de leur travail réside dans la manière dont ils contrôlent les doigts. La plupart des dispositifs existants traitent un doigt comme une unité unique, le pliant entièrement d'un coup. Mais les doigts humains sont plus complexes ; ils possèdent une articulation là où le doigt rejoint la paume et une articulation médiane qui peut se plier indépendamment. Pour véritablement imiter une main réelle, un dispositif doit contrôler ces deux articulations séparément. Les chercheurs ont réussi cela en utilisant un système de câbles ingénieux. Pour chaque doigt, deux câbles distincts partent des moteurs de l'avant-bras vers le doigt. En tirant un câble, le système peut plier le doigt au niveau de la phalange. En tirant l'autre, ou en tirant un câble tout en relâchant l'autre, le système peut plier l'articulation médiane de manière indépendante. Cela permet au dispositif de créer des formes complexes, comme la prise spécifique nécessaire pour retirer un livre d'une étagère, ce qui est difficile si les articulations sont forcées de bouger ensemble.

Pour faire fonctionner ce système, les chercheurs ont dû résoudre plusieurs énigmes d'ingénierie. Le gant devait être assez précis pour capturer des mouvements subtils. Ils ont testé cela en comparant les lectures des capteurs à la position réelle d'un doigt se déplaçant d'avant en arrière. Les capteurs étaient capables de suivre l'angle du doigt avec une erreur moyenne de seulement un degré de plus ou moins, ce qui est remarquablement précis. Cependant, pour rendre les données fluides et exemptes de tremblements, ils ont dû appliquer un filtre numérique qui moyenne les lectures. Cela a introduit un léger délai, ou décalage, d'environ 312 millisecondes entre le mouvement de la main saine et l'enregistrement de ce mouvement. Bien que ce délai soit perceptible, il est suffisamment court pour que le système puisse encore fonctionner en temps réel pour de nombreuses tâches.

Le côté exosquelette du système a rencontré ses propres obstacles. Les chercheurs ont découvert que le simple fait de tirer les câbles ne suffisait pas à bouger une main paralysée et raide avec la force nécessaire. Les premières versions de la conception utilisaient des élastiques pour aider à tirer les doigts vers une position ouverte, mais ces bandes luttaient contre les moteurs, gaspillant de l'énergie et réduisant la force du mouvement. Ils ont finalement remplacé les élastiques par un second jeu de câbles qui tirent dans la direction opposée. Ce changement a plus que triplé la force que le dispositif peut exercer, lui permettant de pousser contre la résistance avec une force maximale d'environ 1,2 Newton par doigt. Malgré ces améliorations, le dispositif ne correspondait pas parfaitement aux mouvements commandés. Lorsque les chercheurs demandaient au dispositif de plier un doigt à 90 degrés, il n'atteignait souvent que 50 à 59 degrés. Cette limitation était causée par la structure physique du dispositif et l'étirement léger des câbles, ce qui empêchait d'atteindre l'amplitude de mouvement complète.

Les chercheurs ont également testé le système comme une unité complète, en portant le gant sur une main et l'exosquelette sur l'autre. Ils ont constaté que le dispositif pouvait reproduire avec succès une variété de poses de la main, d'une main ouverte et détendue à un poing serré. Le mouvement de la main blessée suivait généralement celui de la main saine, bien qu'il soit systématiquement en retard de une fraction de seconde. Lorsqu'ils ont mesuré à quel point les angles des deux mains correspondaient, la corrélation était forte pour certaines articulations mais plus faible pour d'autres, particulièrement pour l'articulation médiane de l'annulaire. Cela suggère que, bien que le système fonctionne, il reste de la place pour l'amélioration dans la façon dont les câbles sont acheminés et comment le dispositif s'adapte à l'anatomie unique de différents utilisateurs.

L'une des caractéristiques les plus pratiques de la conception est un interrupteur simple qui permet à l'utilisateur de mettre le miroir en pause. Dans de nombreuses activités quotidiennes, comme ouvrir une bouteille, une main doit tenir l'objet fermement pendant que l'autre tourne le bouchon. Si le dispositif était toujours en mode miroir, la main blessée essaierait de copier le mouvement de rotation, rendant la tâche impossible. En basculant l'interrupteur, l'utilisateur peut verrouiller la main blessée dans une position spécifique, la maintenir ainsi, et utiliser sa main saine pour effectuer la autre partie de la tâche. Cette capacité à découpler les mains est essentielle pour que le dispositif soit utile dans des scénarios du monde réel, et pas seulement dans une clinique de thérapie.

Le projet démontre qu'il est possible de construire un robot portable qui mesure et déplace deux articulations différentes dans chaque doigt tout en gardant toute la machinerie lourde hors de la main elle-même. Les chercheurs ont prouvé que le contrôle indépendant des articulations des doigts est réalisable et que le système peut générer suffisamment de force pour être utile. Cependant, ils ont également reconnu que le prototype actuel n'est pas encore parfait. Le délai causé par le filtre de lissage est plus long que l'idéal, et le dispositif ne peut pas encore bouger les doigts sur toute leur amplitude de mouvement naturelle. Les versions futures devront trouver des moyens de réduire ce décalage et d'augmenter la force du mouvement sans ajouter de volume. Pour l'instant, ce travail constitue une étape significative, montrant qu'un dispositif à bas coût et confortable pourrait un jour aider les personnes à retrouver le contrôle fin de leurs mains qu'elles ont perdu.