Tragbarer Armband übermittelt künstliche Berührungsgefühle

Forscher an der Florida Atlantic University haben eine neue und innovative Studie mit haptischer/taktiler Feedback, Elektromyogramm (EMG)-Steuerung und einem tragbaren weichen robotischen Armband durchgeführt, das Benutzern von Prothesenhänden erheblich helfen kann. Die neuen Erkenntnisse könnten die Art und Weise, wie zukünftige künstliche Hände von Benutzern gesteuert werden, verändern.

Die Forscher an der Fakultät für Ingenieurwesen und Informatik der Universität arbeiteten gemeinsam mit der Charles E. Schmidt Fakultät für Naturwissenschaften der FAU, um zu untersuchen, ob Menschen präzise die Greifkräfte steuern können, die auf zwei verschiedene Objekte gleichzeitig mit einer künstlichen Hand angewendet werden.

Das Team erforschte auch, wie visuelles Feedback das komplexe Multitasking-Modell unterstützen kann, indem es systematisch visuelles und haptisches Feedback blockiert. Sie untersuchten auch, wie ein simultanes Objekttransport-Experiment Zeit sparen und einen multichannel-tragbaren weichen robotischen Armband entwerfen kann, der künstliche Berührungsgefühle an die Benutzer von robotischen Händen übermitteln kann.

Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

Verwendet Multiple Kanäle von Haptischem Feedback

Die Forschung zeigte, dass multiple Kanäle von haptischem Feedback es den Benutzern ermöglichten, zwei Objekte gleichzeitig mit der geschickten künstlichen Hand zu greifen und zu transportieren. Sie konnten diese Aufgaben ohne die Objekte zu brechen oder fallen zu lassen, ausführen, selbst wenn die Benutzer ihre Sicht behindert war.

Der neue Ansatz verbesserte auch die Zeit, die zum Transport und zur Lieferung beider Objekte benötigt wurde, und die Benutzer bewerteten haptisches Feedback qualitativ als wesentlich wichtiger als visuelles Feedback.

Erik Engeberg, Ph.D., ist Korrespondenzautor, Professor und Mitglied des FAU-Zentrums für komplexe Systeme und Hirnwissenschaften, I-SENSE und des FAU-Stiles-Nicholson-Hirninstituts.

“Unsere Studie ist die erste, die die Machbarkeit dieser komplexen simultanen Steuerungsaufgabe unter Einbeziehung mehrerer Kanäle von haptischem Feedback nichtinvasiv demonstriert”, sagte Engeberg. “Keiner unserer Studienteilnehmer hatte zuvor signifikante Erfahrung mit EMG-gesteuerten künstlichen Händen, doch sie konnten nach zwei kurzen Trainingsessionen lernen, diese Multitasking-Funktion zu nutzen.”

Entwurf eines benutzerdefinierten, hergestellten robotischen Armbands

Das Forschungsteam übermittelte haptisches Feedback, indem es an der EMG-Steuerung und dem Entwurf des benutzerdefinierten, hergestellten weichen robotischen Armbands arbeitete. Sie arbeiteten mit Emmanuelle Tognoli, Ph.D., zusammen, die Co-Autorin und Forschungsprofessorin am FAU-Fachbereich Psychologie und Zentrum für komplexe Systeme und Hirnwissenschaften ist.

Das Team passte den Armband mit weichen Aktuatoren aus, die halfen, ein proportionales Gefühl von Kontaktkräften zu übermitteln. Sie fügten auch vibrotaktile Stimulatoren hinzu, um anzuzeigen, ob die gegriffenen Objekte gebrochen worden waren.

Drei Positionen auf dem Armband wurden für haptisches Feedback entworfen: Daumen, Zeigefinger und kleiner Finger. Diese drei Bereiche sind ausreichend, um die Kraft zu übermitteln, die auf beide Objekte angewendet wird, die von der Hand gegriffen werden. Der Armband hat auch drei Luftkammern, die jeweils proportionell zu einem der drei BioTacs entsprechen, die an den Fingerspitzen der Hand angebracht sind. Neben all dem hat der Armband drei vibrotaktile Aktuatoren, die dem Benutzer anzeigen, ob die Objekte gebrochen worden sind.

Moaed A. Abd ist Erstautor und Doktorand am Fachbereich Ozean- und Maschinenbau der FAU.

“Beispiele für multifunktionale Steuerung, die in unserer Studie demonstriert wurden, umfassten die proportionale Steuerung einer Karte, die zwischen dem Zeigefinger und dem Mittelfinger gequetscht wurde, während gleichzeitig der Daumen und der kleine Finger verwendet wurden, um den Deckel einer Wasserflasche zu öffnen. Ein weiteres Beispiel für simultane Steuerung war ein Ball, der mit drei Fingern gegriffen wurde, während der kleine Finger gleichzeitig verwendet wurde, um einen Lichtschalter umzulegen”, sagte Abd.

Die neue innovative Studie könnte verwendet werden, um es Individuen mit fehlenden Obergliedmaßen zu ermöglichen, Berufspfade und andere Freizeitaktivitäten zu verfolgen.

Stella Batalama, Ph.D., ist Dekanin am Fachbereich Ingenieurwesen und Informatik der FAU.

“Die Ermöglichung einer raffinierten, geschickten Steuerung ist ein hochkomplexes Problem, das gelöst werden muss und weiterhin ein aktives Forschungsgebiet darstellt, da es nicht nur die Interpretation von menschlichen Greifabsichten erfordert, sondern auch komplementäres haptisches Feedback von taktilen Empfindungen”, sagte Batalama. “Mit dieser innovativen Studie gehen unsere Forscher auf den Verlust von taktilen Empfindungen ein, der derzeit ein wesentlicher Hindernis darstellt, das es Menschen mit fehlenden Obergliedmaßen verwehrt, Multitasking zu betreiben oder die volle Geschicklichkeit ihrer Prothesenhände zu nutzen.”