Cientistas desenvolvem prótese robótica altamente similar à mão humana
Substituir a mão humana com dispositivos artificiais de igual capacidade e efetividade é um antigo desafio tecnológico. Mesmo as mais avançadas próteses manuais no mercado, as quais possuem vários graus ativos de liberdade controlados por sinais elétricos associados aos músculos residuais, não atingem a complexidade, habilidade e adaptabilidade da mão humana. Nesse sentido, a taxa de abandono das próteses por pessoas com amputações continua alta devido à baixa aceitabilidade desses artefatos mecânicos como parte do corpo. Agora, em um estudo publicado no periódico Science Robotics (1), pesquisadores descreveram uma nova mão artificial - chamada de 'Hannes' - que possui uma performance extremamente similar ao comportamento interativo da mão humana. Apesar de possuir uma velocidade ainda inferior àquela da mão humana, Hannes realiza atividades de pegada com acurado biomimetismo em relação a propriedades biológicas cruciais de uma real mão humana.
Até recentemente, sistemas prostéticos para os membros superiores têm sido projetados mais como ferramentas do que como reais substitutos de um braço ou de uma mão. A principal razão para isso são os fatores de limitação tecnológica que não permitem a restauração de toda a funcionalidade de um membro perdido. Como principal consequência da baixa performance biomimética, temos altas taxas de abandono das próteses visando os membros superiores, algo que representa um dos principais obstáculos para pesquisas na área.
Vários estudos têm sido realizados para se determinar os fatores chaves que caracterizam o comportamento e as propriedades da mão humana como um guia para alcançar um real dispositivo prostético bioinspirado. No geral, esses fatores são: (i) características antropomórficas-relacionadas, as quais incluem cinemática, tamanho, massa e aparência; (ii) performance como velocidade, força e destreza; e (iii) pegadas robustas e sinérgicas. Para efetivamente replicar esses dois últimos aspectos em uma prótese, níveis de velocidade de movimentação biomimética devem ser combinados com uma apropriada força de pegada, ou seja, os dedos precisam ser capazes de se moverem com uma velocidade adequada e exercerem uma força de pegada suficiente para tornar o dispositivo efetivo na execução de atividades do dia-a-dia. Somando-se a isso, os dedos precisam ser controláveis com adequada precisão e responsividade para permitir apropriado uso e destreza.
As mais avançadas mãos robóticas hoje no mercado ou em desenvolvimento não preenchem as demandas de massa, tamanho e/ou funcionalidade energética para o uso prático. Mesmo os dispositivos que se aproximam bastante da aparência de uma mão humana e fornecem razoáveis performances funcionais ainda não incorporam várias das propriedades acima mencionadas inerentes à mão humana. A adaptabilidade desses dispositivos a diferentes formas e distribuições de força entre os dedos é tipicamente limitada a pegadas estáticas, o que resulta em inefetiva e não-natural baixa robustez de pegada, particularmente quando o objeto agarrado é perturbado e/ou se move dentro da mão prostética.
A mão artificial desenvolvida e descrita no novo estudo (Hannes) buscou superar essas limitações e consiste de três principais componentes físicos: uma mão prostética mioelétrica poli-articulada que explora um mecanismo diferencial subactuado; um módulo passivo de flexão-extensão do pulso; e uma interface/controlador mioelétrica que inclui dois sensores electromiográficos (sEMG), um pacote de bateria e eletrônicos de controle, como mostrado na imagem abaixo. Esses três componentes foram desenvolvidos e integrados de forma holística para alcançar antropomorfismo, performance biomimética e pegada similar à humana. Nesse sentido, Hannes é capaz de restaurar mais de 90% de funcionalidade em pessoas com amputações nos membros superiores.
A prótese pode ser usada durante todo o dia e é ajustável a diferentes amputações (extensões) dos membros superiores. Para isso, o sistema de sensores eletromiográficos superficiais dentro do Hannes detecta a atividade dos músculos residuais do membro alvo - na parte inferior ou superior do braço, a qual é ativamente contraída pelo usuário para múltiplos movimentos. Além disso, através de um software especialmente desenvolvido e uma conexão bluetooth, é possível customizar os parâmetros de operação da mão, como a precisão e a velocidade de movimento, para assegurar a mais otimizada experiência para cada usuário. A performance única do Hannes é baseada em maior parte no sistema diferencial mecânico que permite à prótese se adaptar ao objeto agarrado usando um único motor.
Os dedos do Hannes podem ser flexionados e posicionados de uma maneira natural, mesmo em descanso. Em particular, o polegar pode ser orientado em 3 diferentes posições para replicar uma ampla variedade de pegadas, incluindo uma pegada fina que permite a manipulação de pequenos objetos, uma pegada lateral que permite manipular objetos finos, e, finalmente, uma forte pegada capaz de agarrar e mover mesmo cargas pesadas. O sistema também permite pronar e supinar o pulso, permitindo pegadas em diferentes orientações sem depender de compensações do usuário potencialmente deletérias.
Hannes pode realizar uma pegada totalmente fechada em menos de 1 segundo, e, ao mesmo tempo, pode enxertar uma força máxima de pegada de 150 N, o que vai bem além de outras mãos articuladas no mercado. O usuário pode modular a força quando pega um objeto, algo necessário para destreza e robustez da pegada. Somando-se a isso, o tempo de atraso entre a contração muscular e a ativação da mão é em torno de 10 milissegundos, inferior ao atraso eletromecânico fisiológico e impossível de ser percebido pelo usuário. Essa última característica, combinada com a alta velocidade de movimento alcançada pelo Hannes, é fundamental para a alta efetividade da prótese e sua integração ao corpo do usuário.
A mão Hannes foi testada para durabilidade e robustez em uma montagem simulando uso por mais de 1 ano por um assim chamado 'pró-usuário' (quase 500000 ciclos de vida). A prótese possui uma autonomia de um dia inteiro considerando um uso padrão (12V de suprimento energético para uma capacidade de bateria de 1300 mAh).
Para avaliar a performance da prótese na prática e em usuários de interesse, três participantes que tiveram uma das mãos amputadas foram recrutados pra executar testes e responder questionários sobre a habilidade de uso da prótese. Após um período de treino de menos de 1 semana, pacientes foram capazes de usar de forma autônoma e doméstica a mão artificial para atividades diárias diversas. Os resultados dos testes clínicos pilotos - como pode ser visto no vídeo abaixo (envolvendo dois dos participantes) - mostraram um desempenho, na média, superior àquele de modelos mais avançados disponíveis no mercado. Durante os testes, Hannes, de fato, forneceu alta adaptabilidade nas tarefas de pegada e de manipulação, oferecendo alta robustez e estabilidade de pegada.
Os participantes reportaram estar muito satisfeitos com a usabilidade, efetividade geral e robustez da pegada durante os testes, e fortemente apreciaram a alta semelhança de Hannes com uma real mão humana.
Com um período maior de treino, os pesquisadores acreditam que a mão Hannes pode ser incorporada ao usuário como uma real parte do corpo, não apenas uma ferramenta auxiliar. Os desenvolvedores da prótese estão agora procurando por investidores e companhias para industrializá-la e produzi-la em larga escala.
(1) Publicação do estudo: Science
> O sistema robótico Hannes foi criado pela IIT's Rehab Technologies Lab., a qual é uma parceria entre o Istituto Italiano di Tecnologia em Gênova e o Centro Protesi INAIL em Budrio (Bolonha), coordenado por Lorenzo De Michieli. A colaboração foi iniciada no fim de 2013 com o objetivo de criar soluções inovadoras de alta tecnologia e custo-efetivas para pacientes com limitações físicas. Entre as soluções desenvolvidas até o momento, Hannes é o mais recente resultado, cujo nome é um tributo ao Professor Johannes "Hannes" Schmidl, diretor técnico do Centro Protesi Inail na década de 1960 e pioneiro em prostéticos dos membros superiores. Hannes é fruto de um trabalho envolvendo pesquisadores, ortopedistas, designers industriais e pacientes voluntários. Em 9 de setembro de 2020, a mão Hannes foi premiada com o prêmio de design industrial internacional Compasso d'Oro, devido ao conceito altamente inovador e original.
Reviewed by Saber Atualizado
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setembro 24, 2020
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