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假肢的未来一瞥:高级传感器,电子皮肤和ai
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/3/10

从电子皮肤到仿生手的基于电子的假肢的研究人员正在努力为未来的主流佩戴者带来舒适和前沿的技术。


电气工程创新在其中所产生的深刻影响的众多领域之一是假肢技术。无论假肢和骨骼是用于肢体缺失或其他固定状况的人,这些设备的应用范围甚至可以从医学用途扩展到基于ar / vr的学习,机器人技术和工业应用。

一个高级图,显示了研究人员用来向运动传感器提供上下文的位置。图片由nature electronics和uc berkeley提供

 

许多大学一直在研究假肢,并在涉及传感器,运动和触感方面试图改善假肢的设计。 


使用mxene电子皮肤传感器获取生理数据

假肢的主要目的是帮助那些肢体完全没有能力使用肢体的人。这个目标导致大多数假肢研究集中在人造手和腿上。为了模仿尽可能接近真实生物结构的设备,材料科学,制造,电子和生物医学等各个领域的研究人员必须融合他们的专业知识。


阿卜杜拉国王科技大学(kaust)最近关于电子皮肤(或“ e-skin”)传感器的出版物描述了一种基于mxene-水凝胶异质结构开发的新材料。电子皮肤通常是通过在与人体皮肤或假肢相连的表面上铺一层活性纳米材料制成的。kaust的研究人员已经开发出一种薄的,可拉伸的和相对更耐用的材料,该材料可以像人的皮肤一样更精确地起作用。

由mxene-水凝胶异质结构形成的电子皮肤。图片由kaust提供


新开发的电子皮肤是通过将乙烯基二氧化硅纳米粒子-聚丙烯酰胺(vsnp-pam)水凝胶作为弹性基质,2d mxene纳米片作为传感阵列以及1d聚吡咯纳米线(ppynws)分层而制成的。与现有的水凝胶相比,化合物中的氢键使它具有更强的能力(?7020 j / m2)和更低的滞后性(<0.1)。


kaust声称其原型电子皮肤可以感应20厘米外的物体,在不到十分之一秒的时间内就能对刺激做出反应,并且当用作压力传感器时,可以区分上面书写的笔迹。


可将基于皮肤的mxene-ppynw-vsnp-pam附着在前臂上的皮肤。图片由kaust提供

 

该传感器经过5,000次变形后仍能继续正常工作,每次恢复大约四分之一秒。研究人员认为,该传感器可以传输一系列不同的生理数据,这些数据可以帮助制定治疗计划并制定减轻伤害的培训计划。 


增添触感

设计假肢(人类和机器人使用)的一个问题是模拟触摸的感觉。去年下半年,康奈尔大学的研究人员对结合了低成本led和染料的光纤传感器进行了实验,从而产生了可拉伸的“皮肤”,用于检测压力,弯曲和应变等变形。

内衬可伸缩光纤传感器的3d打印手套使用光实时检测一系列变形。图片由 康奈尔大学提供

 

通过使用数学模型,康奈尔大学的团队可以区分不同的变形,并精确确定其确切的位置和大小。研究人员声称,该设备可以创建沉浸式ar / vr技术,例如增强现实仿真,以通过引导运动向用户教授不同的技能。


例如,用户可以学习诸如用手套更换轮胎来模拟拧紧螺母和螺栓的感觉之类的任务。该技术最终可以在假肢上实现,以给用户带来触觉,并为佩戴者提供更好的灵活性和动作控制。


用ai修复

通过人工智能,可以模拟手的复杂功能。加州大学伯克利分校的研究人员通过开发具有人工智能软件的可穿戴生物传感器来进行这种复杂的模拟 。据说该软件可以根据前臂中的电信号模式识别人打算做出的手势。

具有集成ai的可穿戴传感器,可进行假肢控制。图片由 加州大学伯克利分校提供


加州大学伯克利分校的研究人员指出,他们的手势识别系统可以对多达21种不同的手势进行分类。基于超维计算算法,它可以利用新信息更新您自己(您做的越多,它就越好),同时具有本地片上计算的额外优势,从而减少了对隐私泄露的担忧。 


舒适会导致主流适应吗?

假肢的一个通常被忽略的设计考虑因素是用户的舒适度。某些假肢研究虽然处于最新状态,但尚未成熟到主流应用中-部分是由于成本方面的挑战,另一方面是由于与不同用户的体重,形状,大小和舒适度有关的固有设计挑战。 


在这方面,cyberlegs plus plus和detop等项目对于商业化和可行的假肢和外骨骼开发似乎特别令人鼓舞。 

cyberlegss plus plus假肢(左)和detop假肢(右)。图片由cyberlegs plus plus和detop提供

 

cyberlegs plus plus正在开发机器人外骨骼(机器人的腿部和支架),该骨骼器使用连接到两个马达的传感器来预测和预测运动。这些外骨骼可以使截肢者以较小的力度行走和爬楼梯,并防止其掉落。该假肢还包括压敏鞋垫,不会改变穿着者的步态,从而提高了穿着者的舒适度。


detop的研究使用假肢修复截肢后手功能的恢复。该公司已成功地向患者展示了一种新型植入系统,该患者现在可以灵巧地控制她的手部假体。detop还声称,通过其骨整合过程,其假肢比基本的插座版本更舒适。 


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