La prothèse permet un large éventail d’activités quotidiennes, telles que fermer une valise, serrer la main et caresser un chat. —

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  • Pour les plus de 5 millions de personnes dans le monde qui ont subi une amputation d’un membre supérieur, les prothèses ont parcouru un long chemin. Au-delà des appendices traditionnels ressemblant à des mannequins, il existe un nombre croissant de neuroprothèses commerciales – des membres bioniques hautement articulés, conçus pour détecter les signaux musculaires résiduels d’un utilisateur et imiter de manière robotique leurs mouvements prévus.

    Mais cette dextérité high-tech a un prix. Les neuroprothèses peuvent coûter des dizaines de milliers de dollars et sont construites autour de squelettes métalliques, avec des moteurs électriques qui peuvent être lourds et rigides.

    Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT et de l’Université Jiao Tong de Shanghai ont conçu une main neuroprothétique douce, légère et potentiellement peu coûteuse. Les amputés qui ont testé le membre artificiel ont effectué des activités quotidiennes, telles que fermer une valise, verser une brique de jus et caresser un chat, tout aussi bien – et dans certains cas mieux – que ceux avec des neuroprothèses plus rigides.

    Les chercheurs ont découvert que la prothèse, conçue avec un système de retour tactile, rétablissait une sensation primitive dans le membre résiduel d’un volontaire. Le nouveau design est également étonnamment durable, récupérant rapidement après avoir été frappé avec un marteau ou écrasé avec une voiture.

    La main intelligente est douce et élastique et pèse environ une demi-livre. Ses composants totalisent environ 500 $ – une fraction du poids et du coût des matériaux associés à des membres intelligents plus rigides.

    “Ce n’est pas encore un produit, mais les performances sont déjà similaires ou supérieures aux neuroprothèses existantes, ce qui nous enthousiasme”, déclare Xuanhe Zhao, professeur de génie mécanique et de génie civil et environnemental au MIT. “Il y a un énorme potentiel pour rendre cette prothèse souple à très faible coût, pour les familles à faible revenu qui ont subi une amputation.”

    Zhao et ses collègues ont publié aujourd’hui leur travail dans Nature Génie Biomédical. Les co-auteurs incluent le postdoctorant du MIT Shaoting Lin, ainsi que Guoying Gu, Xiangyang Zhu et des collaborateurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine.

    Main de grand héros

    Le nouveau design souple de l’équipe ressemble étrangement à un certain robot gonflable du film d’animation “Big Hero 6”. Comme l’androïde spongieux, la main artificielle de l’équipe est faite d’un matériau doux et extensible – dans ce cas, l’élastomère commercial EcoFlex. La prothèse comprend cinq doigts en forme de ballon, chacun incrusté de segments de fibre, similaires aux os articulés des doigts réels. Les chiffres courbés sont connectés à une “paume” imprimée en 3D, en forme de main humaine.

    Plutôt que de contrôler chaque doigt à l’aide de moteurs électriques montés, comme le font la plupart des neuroprothèses, les chercheurs ont utilisé un simple système pneumatique pour gonfler avec précision les doigts et les plier dans des positions 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 développé un modèle informatique pour relier la position souhaitée d’un doigt à la pression correspondante qu’une pompe devrait appliquer pour atteindre cette position. À l’aide de ce modèle, l’équipe a développé un contrôleur qui dirige le système pneumatique pour gonfler les doigts, dans des positions qui imitent cinq prises courantes, notamment pincer deux et trois doigts ensemble, faire un poing en boule et mettre la paume en coupe.

    Le système pneumatique reçoit des signaux des capteurs EMG – des capteurs d’électromyographie qui mesurent les signaux électriques générés par les motoneurones pour contrôler les muscles. Les capteurs sont installés à l’ouverture de la prothèse, où elle se fixe au membre d’un utilisateur. Dans cet agencement, les capteurs peuvent capter les signaux d’un membre résiduel, comme lorsqu’un amputé imagine faire un poing.

    L’équipe a ensuite utilisé un algorithme existant qui “décode” les signaux musculaires et les relie aux types de préhension courants. Ils ont utilisé cet algorithme pour programmer le contrôleur de leur système pneumatique. Lorsqu’un amputé imagine, par exemple, tenir un verre à vin, les capteurs captent les signaux musculaires résiduels, que le contrôleur traduit ensuite en pressions correspondantes. La pompe applique ensuite ces pressions pour gonfler chaque doigt et produire la prise prévue de l’amputé.

    Allant plus loin dans leur conception, les chercheurs ont cherché à activer le retour tactile, une fonctionnalité qui n’est pas intégrée dans la plupart des neuroprothèses commerciales. Pour ce faire, ils ont cousu à chaque bout de doigt un capteur de pression qui, lorsqu’il est touché ou pressé, produit un signal électrique proportionnel à la pression détectée. Chaque capteur est câblé à un emplacement spécifique sur le membre résiduel d’un amputé, afin que l’utilisateur puisse « sentir » lorsque le pouce de la prothèse est enfoncé, par exemple, par rapport à l’index.

    Bonne adhérence

    Pour tester la main gonflable, les chercheurs ont enrôlé deux volontaires, chacun avec des amputations des membres supérieurs. Une fois équipés de la neuroprothétique, les volontaires ont appris à l’utiliser en contractant à plusieurs reprises les muscles de leur bras tout en imaginant faire cinq prises communes.

    Après avoir terminé cette formation de 15 minutes, les volontaires ont été invités à effectuer un certain nombre de tests standardisés pour démontrer la force et la dextérité manuelles. Ces tâches comprenaient l’empilement des dames, le tournage des pages, l’écriture avec un stylo, le levage de balles lourdes et le ramassage d’objets fragiles comme des fraises et du pain. Ils ont répété les mêmes tests en utilisant une main bionique plus rigide et disponible dans le commerce et ont constaté que la prothèse gonflable était aussi bonne, voire meilleure, dans la plupart des tâches, par rapport à son homologue rigide.

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

    Dans un exercice particulièrement excitant, les chercheurs ont bandé les yeux du volontaire et ont découvert qu’il pouvait discerner quel doigt prothétique ils avaient poussé et brossé. Il a également pu “sentir” des bouteilles de différentes tailles qui ont été placées dans la main prothétique et les a soulevées en réponse. L’équipe voit dans ces expériences un signe prometteur que les amputés peuvent retrouver une forme de sensation et de contrôle en temps réel avec la main gonflable.

    L’équipe a déposé un brevet sur la conception, par l’intermédiaire du MIT, et travaille à améliorer sa détection et son amplitude de mouvement.

    “Nous avons maintenant quatre types de prise. Il peut y en avoir plus”, dit Zhao. “Cette conception peut être améliorée, avec une meilleure technologie de décodage, des réseaux myoélectriques à plus haute densité et une pompe plus compacte qui pourrait être portée au poignet. Nous voulons également personnaliser la conception pour la production en série, afin que nous puissions traduire la technologie robotique douce en profite à la société.”

    Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=p1d8i2lwuFw&t=20s

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