Rankos egzoprotezas veikia metalinių raumenų dėka

Robotika.lt 15 liepos, 2015 Robotai medicinoje

Saarlando universiteto inžinieriai į dirbtinę ranką integravo raumenis, kurie pagaminti iš vielos ir pasižymi formos atmintimi. Šios naujos technologijos dėka galima gaminti lengvas ir lanksčias robotines rankas, kurios tinkamos naudoti pramonėje ir protezų kūrimui.

Raumenų skaidulos susideda iš smulkiagrūdžių nikelio-titano lydinio vielos kuokštelių, kurie visada yra lankstumo ir įtampos būsenoje. Pati medžiaga pasižymi sensorinėmis savybėmis, kurių dėka dirbtinė ranka gali atlikti labai tikslius judesius. Tyrimų grupė, kuriai vadovauja profesorius Stefanas Sileke, savo kūrinį pademonstravo didžiausioje pasaulyje pramonės mugėje HANNOVER MESSE, kuri vyko balandžio 13-17 dienomis.

Tobulumo esmė – detalėse

Metalinių raumenų dėka veikianti ranka laikoma idealiu instrumentu. Šis egzoprotezas buvo kuriamas ilgus metus. Prietaisas yra mobilus ir lengvai adaptuojamas, o nepaprastos raumenų, raiščių, sausgyslių, kaulų ir nervų sąveikos dėka, galima sukurti lankstų instrumentą, skirtą manipuliuoti objektais. Tyrimų grupė kartu su Saarlando universiteto mechatronikos ir automatizacijos technologijų centro profesoriumi Stefanu Sileke panaudojo naują technologiją, kuri veikia nikelio-titano lydinio atminties formos savybių dėka. Rankos raumenys sudaryti iš labai plonos vielos, kurios diametrą galima palyginti su žmogaus plauku. Šie metaliniai raumenys gali susitraukti bei atsipalaiduoti.

„Formos atminties efektas turi daugiau privalumų nei kiti metodai,“ – teigė Stefanas Sileke. „Iki dabar, dirbtinės rankos, tokios, kurios naudojamos pramoninėje gamyboje, veikdavo kompleksinių fono technologijų dėka. Tai reiškia, kad jos priklausydavo nuo kitų prietaisų ir įrangos, tokių kaip elektrovarikliai arba pneumatika. Tačiau jie yra sunkūs, nepakankamai lankstūs, kelia triukšmą, o taip pat brangūs. Instrumentai, pagaminti iš dirbtinių raumenų ir pasižymintys formos atminties efektu, gali veikti be papildomos įrangos, todėl jie yra lengvi, lankstūs ir lengvai adaptuojasi prie bet kokios aplinkos. Jie veikia tyliai ir yra nebrangūs. Terminas „formos atmintis“ reiškia, kad viela sugeba „įsiminti“ savo formą ir sugrįžti į pradinę padėtį po to, kai ji buvo deformuota. Nikelio-titano lydinio savybių dėka atsiranda faziniai pasikeitimai, kurie įvyksta medžiagoje. Jei viela įkaista, po ranką pasklinda elektra, o medžiaga performuoja grotelių struktūrą, priversdama vielą susispausti, kaip raumenis“.

Vietoj dirbtinės rankos raumenų inžinieriai naudoja „protingas“ vielas. Kelios vielų eilės su formos atmintimi sujungia pirštų sąnarius ir veikia kaip sulenkimo priemonė priekinėje piršto pusėje ir išlenkimo – užpakalinėje pusėje. Norėdami palengvinti judėjimą ir imituoti raumenų kuokštelius, inžinieriai nukopijavo tikrą žmogaus raumenų struktūrą, panaudodami labai plonas vielos kuokštelių grupes. Šie vielų kuokšteliai panašūs į medvilnės siūlus, tačiau yra labai tvirti. „Pluoštas gali greitai susitraukti ir atsipalaiduoti, sudarydamas didelę įsitempimo jėgą,“ – teigė Filomena Simona, kuri rašo daktaro disertaciją ir dirba su robotinės rankos prototipu. „Priešingai nei vienas storas laidas, vielos pluoštas gali atlaikyti greitą susitraukimą ir atsipalaidavimą, kurie tolygūs žmogaus raumenų darbui.“

Puslaidininkinės sistemos savybės

Kitas metalinių vielų su formos atmintimi efektas yra tas, kad ranka gali veikti natūraliu būdu, kai kas nors bando įsiterpti jai judant. Puslaidininkinė mikroschema valdo tam tikrus vielos su formos atminties efektų judesius, leisdama atlikti tikslius veiksmus. Sistemai nereikia daviklių. „Medžiaga, iš kurios pagaminti laidai, turi daviklio savybes. Valdymo blokas sugeba interpretuoti elektros pasipriešinimo matavimų duomenis taip, kad jis nuolat žino tikslų laidų išsidėstymą,“ – sako Sileke. „Šių savybių dėka ranka ir pirštai juda labai tiksliai“.

Tyrėjai, pademonstravę savo kūrinį parodoje, ketina ir toliau jį tobulinti. Jie nori, kad egzoprotezas veiktų lygiai taip pat kaip veikia žmogaus ranka. Todėl inžinieriai žada atlikti rankos judesių modeliavimą bei kitas užduotis, kurios padės robotinei rankai veikti natūraliau.