Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

Wanneer een beroerte of een ernstig letsel de zenuwen die een hand aansturen beschadigt, is het resultaat vaak een verlies van fijne motoriek. De arm kan nog wel bewegen, maar de vingers verliezen hun vermogen om zich rond objecten te vormen, waardoor een eenvoudige taak zoals het oppakken van een kopje verandert in een onmogelijke strijd. Voor miljoenen mensen die met deze aandoening leven, bestaat de standaardroute naar herstel uit repetitieve therapie, waarbij ze hun aangetaste hand steeds opnieuw bewegen. Echter, een andere aanpak heeft de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen: bilaterale spiegeling. Dit concept berust op de natuurlijke neiging van de hersenen om bewegingen te kopiëren. Als een persoon de gezonde hand beweegt, sturen de hersenen vaak vergelijkbare signalen naar de geblesseerde hand. Door de precieze bewegingen van de gezonde hand vast te leggen en de geblesseerde hand mechanisch te dwingen deze te volgen, hopen therapeuten de hersenen te hertrainen en de functie te herstellen. De uitdaging is altijd geweest om een apparaat te bouwen dat licht genoeg is om te dragen, sterk genoeg om een stijve hand te bewegen, en slim genoeg om de complexe, onafhankelijke buiging van elk vingergewricht na te bootsen zonder de gebruiker te belasten.

Twee middelbare scholieren, Vishnu Iyengar en Leo Sitaraman, hebben een prototype gebouwd dat deze problemen aanpakt door de detectie te scheiden van de beweging. Hun systeem bestaat uit twee hoofdonderdelen: een handschoen die aan de gezonde hand wordt gedragen en een lichtgewicht exoskelet dat aan de geblesseerde hand wordt gedragen. De handschoen is uitgerust met kleine sensoren die de hoek van de vingergewrichten meten terwijl de gebruiker beweegt. In plaats van te proberen de beweging na te bootsen met motoren die direct aan de vingers zijn bevestigd, wat de hand lomp en oncomfortabel zou maken, hebben de onderzoekers alle motoren op de onderarm geplaatst. Dunne kabels lopen van deze motoren op de onderarm, door de pols en omhoog naar de vingers, om ze in de juiste posities te treken. Dit ontwerp houdt de hand zelf vrij van zware machines, wat zorgt voor een natuurlijker gevoel en beter comfort tijdens het dagelijks gebruik.

De kerninnovatie van hun werk ligt in de manier waarop ze de vingers aansturen. De meeste bestaande apparaten behandelen een vinger als één enkele eenheid, waarbij de hele vinger tegelijkertijd buigt. Maar menselijke vingers zijn complexer; ze hebben een knokkel waar de vinger de handpalm ontmoet en een middengewricht dat onafhankelijk kan buigen. Om een echte hand werkelijk na te bootsen, moet een apparaat beide gewrichten afzonderlijk kunnen aansturen. De onderzoekers bereikten dit door een slim kabelmechanisme te gebruiken. Voor elke vinger lopen twee aparte kabels van de motoren op de onderarm naar de vinger. Door aan één kabel te trekken, kan het systeem de vinger bij de knokkel buigen. Door de andere kabel te trekken, of door één kabel te trekken terwijl de andere wordt losgelaten, kan het systeem het middengewricht onafhankelijk buigen. Hierdoor kan het apparaat complexe vormen creëren, zoals de specifieke grip die nodig is om een boek uit een plank te trekken, wat moeilijk is als de gewrichten gedwongen worden om samen te bewegen.

Om dit systeem te laten werken, moesten de onderzoekers verschillende technische puzzels oplossen. De handschoen moest nauwkeurig genoeg zijn om subtiele bewegingen te registragen. Ze testten dit door de sensorafleesingen te vergelijken met de werkelijke positie van een vinger die heen en weer beweegt. De sensoren waren in staat de hoek van de vinger te volgen met een gemiddelde fout van slechts iets meer dan één graad, wat opmerkelijk precies is. Om de data echter vloeiend en vrij van trillingen te maken, moesten ze een digitale filter toepassen die de metingen middelde. Dit introduceerde een lichte vertraging, of lag, van ongeveer 312 milliseconden tussen de beweging van de gezonde hand en de registratie van die beweging. Hoewel deze vertraging merkbaar is, is deze kort genoeg zodat het systeem nog steeds in realtime kan functioneren voor veel taken.

De kant van het exoskelet ging gepaard met eigen hindernissen. De onderzoekers ontdekten dat het simpelweg aan kabels trekken niet genoeg was om een stijve, verlamde hand met de benodigde kracht te bewegen. Vroege versies van het ontwerp gebruikten rubberen banden om de vingers te helpen terug te trekken naar een open positie, maar deze banden werkten tegen de motoren in, wat energie verspilde en de kracht van de beweging verminderde. Ze vervingen de rubberen banden uiteindelijk door een tweede set kabels die in de tegenovergestelde richting trokken. Deze verandering verdrievoudigde de kracht die het apparaat kon uitoefenen meer dan, waardoor het in staat was om tegen weerstand in te duwen met een maximale kracht van ongeveer 1,2 newton per vinger. Ondanks deze verbeteringen kwam het apparaat de gevraagde bewegingen niet perfect overeen. Wanneer de onderzoekers het apparaat vroegen om een vinger in een hoek van 90 graden te buigen, bereikte het vaak slechts 50 tot 59 graden. Deze beperking werd veroorzaakt door de fysieke structuur van het apparaat en het lichte rekken van de kabels, wat voorkwam dat de volledige bewegingsuitslag werd bereikt.

De onderzoekers testten het systeem ook als een complete eenheid, waarbij ze de handschoen aan de ene hand droegen en het exoskelet aan de andere. Ze ontdekten dat het apparaat erin slaagde een verscheidenheid aan handhoudingen te spiegelen, van een ontspannen open hand tot een gebalde vuist. De beweging van de geblesseerde hand volgde over het algemeen de gezonde hand, hoewel deze consequent een fractie van een seconde achterliep. Wanneer ze maten hoe nauw de hoeken van de twee handen overeenkwamen, was de correlatie sterk voor sommige gewrichten, maar zwakker voor andere, met name het middengewricht van de ringvinger. Dit suggereert dat, hoewel het systeem werkt, er nog steeds ruimte is voor verbetering in de manier waarop de kabels worden geleid en hoe het apparaat past bij de unieke anatomie van verschillende gebruikers.

Een van de meest praktische functies van het ontwerp is een eenvoudige schakelaar waarmee de gebruiker de spiegeling kan pauzeren. Bij veel dagelijkse activiteiten, zoals het openen van een fles, moet één hand het object stevig vasthouden terwijl de andere de dop draait. Als het apparaat altijd zou spiegelen, zou de geblesseerde hand de draaibeweging proberen te kopiëren, wat de taak onmogelijk maakt. Door de schakelaar om te zetten, kan de gebruiker de geblesseerde hand in een specifieke positie vergrendelen, deze daar houden en de gezonde hand gebruiken om het andere deel van de taak uit te voeren. Dit vermogen om de handen van elkaar te koppelen is essentieel om het apparaat bruikbaar te maken in reële scenario's, en niet alleen in een therapiekliniek.

Het project demonstreert dat het mogelijk is om een draagbare robot te bouwen die twee verschillende gewrichten in elke vinger meet en beweegt, terwijl alle zware machines buiten de hand zelf worden gehouden. De onderzoekers bewezen dat onafhankelijke controle van de vingergewrichten haalbaar is en dat het systeem voldoende kracht kan genereren om nuttig te zijn. Ze erkenden echter ook dat het huidige prototype nog niet perfect is. De vertraging veroorzaakt door het filter voor gegevensverbetering is langer dan ideaal, en het apparaat kan de vingers nog niet door hun volledige natuurlijke bewegingsbereik bewegen. Toekomstige versies zullen manieren moeten vinden om deze vertraging te verminderen en de kracht van de beweging te vergroten zonder extra omvang toe te voegen. Voor nu is hun werk een belangrijke stap voorwaarts, die laat zien dat een goedkoop, comfortabel apparaat op een dag mensen kan helpen de fijne controle over hun handen te herwinnen die zij verloren zijn.