Бионический протез руки — это решение на стыке медицины, биологии, инженерии и дизайна. Искусственная рука взаимодействует с нервными клетками через электронику. В бионический протез руки встраивают датчики, фонарики и платежные устройства. Гаджет выполняет основные задачи отсутствующей конечности, и даже в чем-то ее превосходит. По форме и функциям бионическая рука похожа на настоящую.
В студии промышленного дизайна КЛОНА создают функциональные гаджеты, которые становятся верными помощниками и спутниками.
В этом материале — о том, как работают лучшие протезы рук, и о возможностях, которые они возвращают людям.
Содержание
12 дизайнерских решений, которые обрадуют пользователя бионических рук
- Оптимальный вес протеза.
- Мощные двигатели.
- Адекватные скорость и сила схвата, зависящие от напряжения мышц.
- Возможность изменить положение кисти.
- Продвинутые подушечки пальцев для захвата предметов, а также работы с сенсорными экранами смартфона, планшета, ноутбука.
- Аккумулятор, работающий целый день без подзарядки.
- Увеличение емкости аккумуляторов при снижении их веса
- Возможность реализовать свой дизайн, например, выбрать цвет протеза и рисунок.
- При проектировании учтены нужды левшей и правшей
- Простой для восприятия дизайн.
- Минимум угроз здоровью.
- Комфортное использование.
Бионический протез руки: современные технологии
Современные бионические протезы рук имитируют жесты, передают тактильные ощущения и выполняют ≈ 90% задач руки. У моделей, в которых реализовано несколько видов схвата, для каждого из пальцев предусмотрен свой двигатель. Это для того, чтобы выполнять различные схваты и жесты, а также смыкать и размыкать кисть.
Как управлять бионическим протезом: видео
Новые модели воспринимают сигналы мозга не через мышцы, а напрямую. В искусственные руки встроен модуль PayPass, есть Wi-Fi и кнопка для разумных устройств. В дальнейшем электронные протезы заменят смартфон, фитнес-трекер, интеллектуальную колонку и умные часы.
Ученые, инженеры и дизайнеры уже проектируют роботизированные электронные искусственные конечности, способные к самообучению. Их обратная связь сопоставима с той, что предусмотрена природой.
Во всех трендах при проектировании задействованы:
- робототехника;
- имплантированные электроды;
- материалы нового поколения;
- биотехнологии;
- 3D-печать.
Разрабатываются гаджеты, способные чувствовать температуру предмета и силу прикосновения.
Рассмотрим примеры интересного дизайна протезов, в которых проявлены новые технологии.
Бионический протез руки с имплантами
Гаджет крепится непосредственно к скелету, а нервы и мышцы соединяются с системой управления через нервно-мышечные электроды. Такой роботизированный протез управляются через имплантированные нервно-мышечные интерфейсы.
Мышечные датчики улавливают электронные импульсы, идущие от мышц. Это позволяет управлять искусственной рукой так же, как кто-то управляет настоящей.
Фишка: двунаправленный интерфейс имплантата. Сигналы отправляются через мозг в протез, и обратно — от протеза руки к мозгу.
Что дает непосредственное прикрепление к скелету?
- Увеличенный диапазон движений. Пациент может свободно двигать остальными суставами.
- Нет постоянного давления со стороны лунки, которое вызывает язвочки и боль.
- Устойчивое и легкое крепление и отсоединение
- Сенсорная обратная связь (остеоперцепция) за счет передачи сил и вибраций на кость.
- Возможность носить протез постоянно.
- Нет гнезда, которое нужно регулировать.
Плюсы имплантации электродов:
- меньше усилий для того, чтобы управлять протезом;
- взаимодействие с мелкими и хрупкими предметами;
- нет перекрестных помех, вызванных активностью других мышц, поэтому можно перемещать руку в любое положение и сохранять контроль над протезом;
- больше двигательных сигналов, так что контролируется большее количество движений;
- не нужна повторная калибровка после первой подгонки контроллера;
- электроды вживляются, а не размещаются над кожей, поэтому на управление не влияют холод и жара;
- электроды экранированы самим телом, что дает устойчивость к шуму от других электрических устройств или линий электропередач;
- электроды отправляют сигналы в мозг в виде ощущений, исходящих от протезов.
Проблема нейроинтерфейсов — короткая жизнь. Со временем встроенные силиконовые чипы разрушаются, их хватает ≈ на два года. Поставлена задача увеличения срока службы до 70 лет, чтобы пациентам не нужно было неоднократно делать операцию по замене чипа.
Роботизированный протез руки
Такая искусственная рука спроектирована Дином Кейменом для тех, кто потерял конечность до плечевого сустава, или у кого остались часть локтя либо предплечья.
Масса протеза и человеческой руки практически одинаковы. В сохранившиеся мышцы вживлены электроды для приема сигналов мозга, которые затем идут в электронную часть протеза.
У искусственной руки есть сенсоры движения и динамометрии, поэтому он справляется с хватом мелких и хрупких предметов. Запрограммировано шесть типов хвата. С помощью протеза можно взять фрукт и не повредить его, а также открывать замок ключом и справляться с застежкой-молнией.
Протез руки до локтя
Дизайн:
- область кисти и пальцев выполнена из непрозрачного белого силикона;
- работают все пять пальцев;
- каждый палец двигается независимо от другого и принимает электрические сигналы от сохранившихся мышц руки;
- сигналы отправляются на обработку крошечному компьютеру, который встроен в ладонь;
- компьютер координирует движение пальцев, регулирует нагрузку, управляет скоростью движения рук.
Новая рука выдерживает вес ≈ 6,3 кг. Можно сжимать или разжимать руку, захватывать различные предметы, например, ручку, а также завязывать шнурки и заниматься спортом.
Протез кисти руки
Протез приводится в действие небольшими линейными приводами внутри самой руки. Кабеля входят в шаровидный сустав запястья. Все движения контролируются программируемым микрочипом.
На изображении ниже — антропоморфная рука с активным двухрежимным механизмом срабатывания витой струны и крошечными датчиками натяжения. У нее широкий диапазон действия по силе захвата и скорости. Система приводится в движение сухожилием. Пять пальцев открываются и закрываются с помощью двигателя.
А это последняя версия протеза руки Flexy-Hand Filaflex дизайнера Стива Вуда.
Реалистичная и функциональная искусственная рука напечатана на 3D-принтере. Файлы дизайна вместе с инструкциями по печати и сборке были выложены на Thingiverse, чтобы каждый мог загрузить, настроить и распечатать на 3D-принтере.
Дизайн:
- скрытые петли для пальцев;
- шарниры невидимы на первом и втором суставах;
- два варианта угла для большого пальца;
- каждый из пальцев напечатан как единое целое с использованием настраиваемых опор, что выглядит очень естественно;
- основание можно использовать как конечное устройство для уже существующего протеза;
- бесшумная и реалистичная смена позиций пальцев;
- печать руки тонированной нитью;
- реалистичные ногти.
Протезы пальцев рук
На рисунке показан механизм соединения. В верхнем ряду — кинематические модели протезов пальцев руки, а в нижнем — их коммерческие изображения.
Кинематика пальцев:
a) два внешних проволочных звена, установленных между основанием пальца и дистальным звеном;
b) конец петли сухожилия прикрепляется к дистальному звену и направляется вверх по пальцу двумя маленькими роликами;
c) набор конических шестерен между двигателем и червячным приводом;
d) пальцы состоят из сегмента, приводимого в действие только в одной точке.
С помощью такого стильного гаджета можно забыть о физическом недостатке, и не задумываясь вращать тумблер, держать чашку, приподнимать защитную крышку и переключать датчик. Протез выглядит естественно, его можно принять за высокотехнологичные перчатки.
Протез руки для повседневных дел
С таким протезом можно открывать тюбик с зубной пастой и хранить кредитные карты.
Фишка: физиологический дизайн. Твердые и мягкие структуры моделируют кости, суставы, мышцы и сухожилия. Это делает внешний вид и ощущение руки естественными.
Это первый искусственный протез руки с подвижными пальцами.
Дизайн:
- пальцы с независимым питанием открываются и закрываются, например, при наборе текста на клавиатуре;
- запястье и пальцы управляются электродами, соединенными с оставшимися мышцами руки;
- подушки пальцев прорезинены, чтобы захватывать предметы.
Бионическая рука как стильный аксессуар
Идея — дать людям с ампутированными конечностями возможность выразить свою индивидуальность и носить то, от чего бы они получали удовольствие.
Дизайн:
- прозрачная смола;
- золотые детали;
- диод на запястье, пульсирующий в такт с сердцем.
Дизайн:
- головка и роботизированная рука напечатана на 3D-принтере;
- заклепки и шипы украшены кристаллами Swarovski;
- четыре оптоволоконных провода, чтобы рука освещалась всякий раз, когда Грейс ее сжимает.
Подытожим
Бионический протез руки — удобен, эстетичен, выполняет до 90% задач живой руки, но много весит, боится воды и дорого стоит. Согласно исследованию Frost&Sullivan, аналитической компании из США, цена лучших протезов рук — $5000–$50000.
Почему протезы такие дорогие? Потому что над их созданием работают инженеры, биологи, дизайнеры и медики. Каждый случай — индивидуальный, так как форма и размер гильзы должны подходить месту крепления протеза. Поэтому часто разрабатывается несколько вариантов.
Положение спасает 3D-печать. Можно создать индивидуальные, легкие искусственные руки и украсить их. Новая конечность будет стоить до $10000.
Промдизайн, твердотельное моделирование, дизайн интерфейса — услуги, которые вы можете заказать в студии КЛОНА. Обращайтесь, и мы создадим удобные и запоминающиеся гаджеты вместе.
