La Main Bionique Gonflable et Abordable Offre aux Amputés un Contrôle Tactile en Temps Réel

Les prothèses permettent une vaste gamme d’activités quotidiennes, telles que caresser un chat, fermer un sac et serrer la main.

Il y a plus de 5 millions de personnes dans le monde qui ont subi une amputation d’un membre supérieur, et les prothèses ont parcouru un très long chemin. Au-delà des appendices classiques ressemblant à des mannequins, il existe une gamme croissante de neuroprothèses commerciales qui sont des appendices bioniques extrêmement articulés conçus pour capter les signaux musculaires résiduels d’un individu et refléter de manière robotique leurs mouvements souhaités.

Cependant, cette dextérité sophistiquée a un coût. Les neuroprothèses peuvent vous coûter des dizaines de milliers de dollars et sont construites autour de systèmes squelettiques métalliques, avec des moteurs électriques potentiellement lourds et rigides.

Actuellement, les ingénieurs du MIT et de l’Université Jiao Tong de Shanghai ont développé une main neuroprothétique douce, légère et éventuellement abordable. Les amputés qui ont essayé le membre synthétique ont effectué des tâches quotidiennes, telles que fermer un sac de voyage, servir un carton de jus et caresser un chat, tout aussi – et dans certains cas mieux – que ceux avec des neuroprothèses plus rigides.

Les scientifiques ont découvert que la prothèse, si elle était développée avec un système de rétroaction tactile, récupérait une certaine sensibilité primitive dans le membre résiduel d’un volontaire. Le tout nouveau design est en même temps remarquablement durable, récupérant rapidement d’un coup de marteau ou d’un écrasement avec une voiture.

La main intelligente est douce et flexible et pèse environ 0,23 kilogramme. Ses composants s’élèvent à environ 500 $ – une fraction du poids et des dépenses matérielles associées à des appendices intelligents plus rigides.

Xuanhe Zhao, professeur de génie mécanique et de génie civil et environnemental au MIT, a déclaré que bien que la « main bionique » ne soit pas encore un produit, ses performances sont actuellement comparables ou supérieures à celles des neuroprothèses existantes, ce dont l’équipe est ravie. Xuanhe Zhao poursuit en disant qu’il existe un énorme potentiel pour rendre la prothèse souple très abordable pour les familles à faible revenu qui ont lutté contre l’amputation.”

Zhao et ses collègues ont publié leurs travaux dans Nature Biomedical Engineering. Les co-auteurs sont le postdoctorant du MIT Shaoting Lin, en plus de Guoying Gu, Xiangyang Zhu et des partenaires du Shanghai Jiao Tong College en Chine.

Main de grand héros

Le nouveau design flexible de l’équipe présente une similitude exceptionnelle avec un robot gonflable particulier du film d’animation “Big Hero 6”. Comme l’androïde doux, la main synthétique du groupe est fabriquée à partir d’un matériau souple et élastique – l’élastomère commercial EcoFlex. La prothèse se compose de 5 doigts en forme de ballon, chacun incrusté de sections de fibre, comparables aux os articulés de doigts réalistes. Les doigts flexibles sont liés à une paume imprimée en 3D, formée comme une main humaine.

Au lieu de contrôler chaque doigt avec des moteurs électriques installés, comme le font la majorité des neuroprothèses, les scientifiques ont utilisé un simple système pneumatique pour gonfler avec précision les doigts et les fléchir dans des directions spécifiques. Ce système, comprenant une petite pompe et des valves, peut être porté à la taille, réduisant considérablement le poids de la prothèse.

Lin a conçu un modèle informatique pour corréler le placement souhaité d’un doigt à la pression correspondante qu’une pompe devrait appliquer pour réaliser ce placement. Avec ce modèle, le groupe a développé un contrôleur qui demande au système à entraînement pneumatique de gonfler les doigts dans des positions imitant cinq prises typiques, telles que pincer deux et trois doigts ensemble, faire un poing en boule et mettre la main en coupe.

Le système à entraînement pneumatique reçoit des signaux de capteurs EMG – des capteurs d’électromyographie qui mesurent les signaux électriques créés par les motoneurones pour commander les tissus musculaires. Les capteurs sont placés à l’ouverture de la prothèse, où elle est reliée au bras d’un utilisateur. Dans cette disposition, les capteurs peuvent détecter des signaux provenant d’un bras ou d’une jambe résiduels, par exemple, lorsqu’un amputé pense à serrer le poing.

Par la suite, l’équipe a utilisé un algorithme existant qui “traduit” les signaux musculaires et les met en corrélation avec les types de préhension courants. Ils ont utilisé cet algorithme pour programmer le contrôleur pour leur système à entraînement pneumatique. Lorsqu’un amputé pense, par exemple, à tenir un verre à vin, les capteurs interprètent les signaux musculaires résiduels, que le contrôleur traduit ensuite en pressions correspondantes. Ensuite, la pompe utilise ces pressions pour gonfler chaque doigt et générer la prise souhaitée par l’amputé.

Pour aller plus loin dans leur conception, les scientifiques ont cherché à permettre un retour tactile, une fonction qui n’est pas intégrée dans la majorité des neuroprothèses commerciales. Pour ce faire, ils ont attaché à chaque bout de doigt un capteur de pression qui, lorsqu’il est pressé, génère un signal électrique correspondant à la pression captée. Chaque capteur est connecté à un certain endroit sur le membre résiduel d’un amputé, de sorte que l’individu puisse « sentir » lorsque le doigt de la prothèse est pressé, par exemple, contre l’index.

Bonne adhérence

Les scientifiques ont enrôlé deux volontaires pour tester la main prothétique gonflable, chacun avec des amputations des membres supérieurs. Une fois équipés de la neuroprothétique, les volontaires ont appris à l’utiliser en contractant continuellement les muscles de leurs bras tout en pensant à faire cinq saisies typiques.

Après avoir terminé cet exercice de 15 minutes, les volontaires ont été invités à effectuer une variété de tests standard pour montrer la force et la dextérité manuelles. Ces tâches consistaient à empiler des dames, à tourner des pages, à écrire avec un stylo, à soulever de lourdes sphères et à ramasser des objets délicats comme des fraises et du pain. Ils ont répété ces tests avec une main bionique plus rigide et disponible dans le commerce et ont découvert que la prothèse gonflable était aussi bonne, voire meilleure, dans la plupart des tâches que son homologue rigide.

Un volontaire a également pu, sans effort, utiliser la prothèse souple dans les tâches quotidiennes, par exemple, manger des aliments comme des craquelins, des gâteaux et des pommes, et gérer des objets et des outils, tels que des ordinateurs portables, des bouteilles, des marteaux, et des pinces. Ce volontaire pourrait également contrôler en toute sécurité la prothèse souple, comme serrer la main de quelqu’un, toucher une fleur et caresser un chat.

Dans un exercice intéressant, les scientifiques ont bandé les yeux du volontaire et ont découvert qu’il pouvait distinguer le doigt prothétique qu’ils avaient touché et brossé. Il était en outre capable de « sentir » des flacons de différentes dimensions qui étaient positionnés dans la main prothétique et les soulevait en réaction. Le groupe voit dans ces expériences une indication encourageante que les amputés peuvent récupérer une forme de sensibilité et de contrôle en temps réel en utilisant la main gonflable.

Le groupe a déposé un brevet sur la conception via le MIT et s’efforce d’améliorer sa détection et la variété de ses mouvements.

Zhao dit avoir mentionné que l’équipe a actuellement quatre variantes de grip, et qu’il peut y en avoir plus. Zhao a ajouté que le concept de l’équipe pourrait être amélioré avec une meilleure technologie de décodage, des réseaux myoélectriques à plus haute densité et une pompe plus rationalisée qui pourrait être portée au poignet. L’équipe a également l’intention de personnaliser la conception pour la production de masse, afin que la main bionique puisse traduire des systèmes robotiques souples pour aider la civilisation.

Publié à l’origine sur Scitechdaily.com

Référence : « Une main neuroprothétique douce offrant un contrôle myoélectrique et un retour tactile simultanés » par Guoying Gu, Ningbin Zhang, Haipeng Xu, Shaoting Lin, Yang Yu, Guohong Chai, Lisen Ge, Houle Yang, Qiwen Shao, Xinjun Sheng, Xiangyang Zhu et Xuanhe Zhao, 16 août 2021,  Nature Biomedical Engineering .
DOI : 10.1038/s41551-021-00767-0