Onderzoekers van de Washington State University (WSU) hebben een geavanceerde elektronische huid (e-skin) ontwikkeld die specifiek is ontworpen voor protheses. Het systeem kan druk en temperatuur detecteren met een resolutie die tien keer fijner is dan die van huidige commerciële sensoren.
De belangrijkste verbeteringen ten opzichte van bestaande technologie zijn:
- Pasvorm en nauwkeurigheid: Door een "scan-model-print"-methode te gebruiken, kan de huid exact worden aangepast aan de vorm van een prothese zonder verlies van prestaties.
- Modulariteit: De sensormodules zijn modulair opgebouwd en klikken in elkaar als Lego-steentjes, wat de installatie vergemakkelijkt.
- Kosten: Dankzij het gebruik van 3D-printen en lasersnijden is het productieproces relatief goedkoop en toegankelijk.
Het uiteindelijke doel is om een volledige bionische huid te creëren. De onderzoekers werken momenteel aan een actuator die de verzamelde signalen kan omzetten in stimulatie van de zenuwen, waardoor de gebruiker daadwerkelijk tastzin terugkrijgt.
Onderzoekers ontwikkelen elektronische huid voor protheses om temperatuur en druk te voelen
Het onderzoek, geleid door onderzoekers van de Washington State University (WSU) en gepubliceerd in het tijdschrift Cell Reports Physical Science, kan druk en temperatuur detecteren op een schaal die tien keer fijner is dan die van huidige commerciële handschoensensoren.
"Deze aanpak democratiseert de productie van medische e-skins, waardoor geavanceerde tactiele feedback levensvatbaar wordt voor brede klinische adoptie," aldus Hongyi Shen, promovendus aan de School of Mechanical and Materials Engineering en eerste auteur van het artikel. "Dit werk legt een cruciale basis voor een volledige bionische huid met zowel sensorische functies als haptische stimulatie op protheses."
(Bijschrift: Hongyi Shen, links, promovendus aan de School of Mechanical and Materials Engineering, en professor Kaiyan Qiu hielpen een project te leiden dat een elektronische huid ontwikkelde die druk en temperatuur kan detecteren.)
De beperkingen van huidige elektronische huiden
Haptische stimulatie bootst de tastzin na. Het bieden van zelfs maar gedeeltige sensatie voor geamputeerden zou hun vermogen om taken uit te voeren aanzienlijk kunnen verbeteren. Hoewel er momenteel elektronische huiden beschikbaar zijn, kampen deze met verschillende problemen:
- Kosten en resolutie: Ze zijn duur en hebben een lage sensorgevoeligheid.
- Pasvorm: Ze sluiten vaak niet goed aan op het lichaam en dekken slechts kleine gebieden.
- Prestatieverlies: Hoe meer een e-skin naar een specifieke vorm wordt gemaakt, hoe slechter de sensorische prestaties worden.
- Dataverwerking: De grote hoeveelheid gegevens die door de sensorarrays worden gegenereerd, zorgt ervoor dat ze niet goed in real-time werken.
"Vaak worden deze apparaten gedwongen een compromis te sluiten tussen comfort en mechanische betrouwbaarheid," legt Shen uit.
(Bijschrift: Een robothand uitgerust met een 3D-geprinte sensormodule die is ontwikkeld door het onderzoeksteam.)
Een aanpasbaar en nauwkeurig systeem
De WSU-onderzoekers hebben een aanpasbaar sensorsysteem voor protheses ontwikkeld dat zich vormt naar de vrije vorm van ledematen en de waarnemingsmogelijkheden van de menselijke huid beter nabootst. De door hen gecreëerde sensormodules zijn dunne, gelaagde 'sandwiches' waarin temperatuur- en druksensoren zijn geïntegreerd. Deze elementen maken mensachtige tactiele waarneming mogelijk, waardoor oppervlaktestructuren en materiaaleigenschappen betrouwbaar kunnen worden geïdentificeerd.
Voor de productie gebruikten de onderzoekers een "scan-model-print"-methode. Deze methode maakt een hoge sensordichtheid mogelijk, gelijktijdig met gepersonaliseerde 3D-fabricage.
"De scanner scant in feite de prothese en op basis van de geometrie brengen we onze sensoren in kaart als een multimodaal sensorsysteem met die specifieke geometrie," zegt Kaiyan Qiu, Berry Family Assistant Professor aan de School of Mechanical and Materials Engineering en corresponderend auteur van het artikel. "Dit stelt ons sensorsysteem in staat om een naadloze dekking te hebben over het vrije vormoppervlak van de protheses."
Kenmerken van de nieuwe sensoren
- Nauwkeurigheid: De sensoren zijn nauwkeurig en betrouwbaar bij het meten van druk en temperatuur op zowel vlakke als gebogen oppervlakken.
- Modulariteit: In plaats van lijmen te gebruiken, klikken de sensormodules in elkaar als Lego-steentjes.
- Kosten: "Onze belangrijkste productiemethode met 3D-printen en lasersnijden is relatief eenvoudig, waardoor het relatief goedkoop en handig kan zijn," aldus Qiu.
Ondersteuning en toekomstperspectief
Het project werd gedeeltelijk ondersteund door WSU’s National Science Foundation Research Traineeship in Next-Generation Robotics (NRT-LEAD), onder leiding van Prashanta Dutta, Richard Schneider Jr. Professor en directeur aan de School of Mechanical and Materials Engineering (tevens corresponderend auteur). Aanvullende steun kwam van Qiu’s WSU-startup en Cougar Cage-fondsen.
De onderzoekers hebben een uitvindingsoverzicht ingediend voor een voorlopig patent bij het WSU Office of Research Innovation and Entrepreneurship. Daarnaast werken ze aan een actuator die de sensorsignalen van de e-skin zal converteren, zodat een geamputeerde kan voelen wat hij aanraakt. Dit houdt in dat de sensorsignalen worden omgezet in stimulatie en signalering van nabijgelegen zenuwen.
Shen, die een NRT-LEAD-trainee is, geeft aan dat hij al langst geïnteresseerd is in het helpen van mensen in revalidatieomgevingen en een achtergrond heeft in sensorwerk en 3D-printen.
"Door dit project heb ik mijn interesses kunnen combineren," zegt hij. "Ik geloof dat wat we in dit project doen, op een dag geamputeerden echt zal helpen hun leven makkelijker te maken met ons apparaat."
***
Contactpersonen voor media:
- Kaiyan Qiu, WSU School of Mechanical and Materials Engineering
- Prashanta Dutta, WSU School of Mechanical and Materials Engineering
- Shawn Vestal, WSU News & Media Relations
Onderzoekers ontwikkelen elektronische huid voor protheses om temperatuur en druk te voelen
Het onderzoek, geleid door onderzoekers van de Washington State University (WSU) en gepubliceerd in het tijdschrift Cell Reports Physical Science, kan druk en temperatuur detecteren op een schaal die tien keer fijner is dan die van huidige commerciële handschoensensoren.
"Deze aanpak democratiseert de productie van medische e-skins, waardoor geavanceerde tactiele feedback levensvatbaar wordt voor brede klinische adoptie," aldus Hongyi Shen, promovendus aan de School of Mechanical and Materials Engineering en eerste auteur van het artikel. "Dit werk legt een cruciale basis voor een volledige bionische huid met zowel sensorische functies als haptische stimulatie op protheses."
(Bijschrift: Hongyi Shen, links, promovendus aan de School of Mechanical and Materials Engineering, en professor Kaiyan Qiu hielpen een project te leiden dat een elektronische huid ontwikkelde die druk en temperatuur kan detecteren.)
De beperkingen van huidige elektronische huiden
Haptische stimulatie bootst de tastzin na. Het bieden van zelfs maar gedeeltige sensatie voor geamputeerden zou hun vermogen om taken uit te voeren aanzienlijk kunnen verbeteren. Hoewel er momenteel elektronische huiden beschikbaar zijn, kampen deze met verschillende problemen:
- Kosten en resolutie: Ze zijn duur en hebben een lage sensorgevoeligheid.
- Pasvorm: Ze sluiten vaak niet goed aan op het lichaam en dekken slechts kleine gebieden.
- Prestatieverlies: Hoe meer een e-skin naar een specifieke vorm wordt gemaakt, hoe slechter de sensorische prestaties worden.
- Dataverwerking: De grote hoeveelheid gegevens die door de sensorarrays worden gegenereerd, zorgt ervoor dat ze niet goed in real-time werken.
"Vaak worden deze apparaten gedwongen een compromis te sluiten tussen comfort en mechanische betrouwbaarheid," legt Shen uit.
(Bijschrift: Een robothand uitgerust met een 3D-geprinte sensormodule die is ontwikkeld door het onderzoeksteam.)
Een aanpasbaar en nauwkeurig systeem
De WSU-onderzoekers hebben een aanpasbaar sensorsysteem voor protheses ontwikkeld dat zich vormt naar de vrije vorm van ledematen en de waarnemingsmogelijkheden van de menselijke huid beter nabootst. De door hen gecreëerde sensormodules zijn dunne, gelaagde 'sandwiches' waarin temperatuur- en druksensoren zijn geïntegreerd. Deze elementen maken mensachtige tactiele waarneming mogelijk, waardoor oppervlaktestructuren en materiaaleigenschappen betrouwbaar kunnen worden geïdentificeerd.
Voor de productie gebruikten de onderzoekers een "scan-model-print"-methode. Deze methode maakt een hoge sensordichtheid mogelijk, gelijktijdig met gepersonaliseerde 3D-fabricage.
"De scanner scant in feite de prothese en op basis van de geometrie brengen we onze sensoren in kaart als een multimodaal sensorsysteem met die specifieke geometrie," zegt Kaiyan Qiu, Berry Family Assistant Professor aan de School of Mechanical and Materials Engineering en corresponderend auteur van het artikel. "Dit stelt ons sensorsysteem in staat om een naadloze dekking te hebben over het vrije vormoppervlak van de protheses."
Kenmerken van de nieuwe sensoren
- Nauwkeurigheid: De sensoren zijn nauwkeurig en betrouwbaar bij het meten van druk en temperatuur op zowel vlakke als gebogen oppervlakken.
- Modulariteit: In plaats van lijmen te gebruiken, klikken de sensormodules in elkaar als Lego-steentjes.
- Kosten: "Onze belangrijkste productiemethode met 3D-printen en lasersnijden is relatief eenvoudig, waardoor het relatief goedkoop en handig kan zijn," aldus Qiu.
Ondersteuning en toekomstperspectief
Het project werd gedeeltelijk ondersteund door WSU’s National Science Foundation Research Traineeship in Next-Generation Robotics (NRT-LEAD), onder leiding van Prashanta Dutta, Richard Schneider Jr. Professor en directeur aan de School of Mechanical and Materials Engineering (tevens corresponderend auteur). Aanvullende steun kwam van Qiu’s WSU-startup en Cougar Cage-fondsen.
De onderzoekers hebben een uitvindingsoverzicht ingediend voor een voorlopig patent bij het WSU Office of Research Innovation and Entrepreneurship. Daarnaast werken ze aan een actuator die de sensorsignalen van de e-skin zal converteren, zodat een geamputeerde kan voelen wat hij aanraakt. Dit houdt in dat de sensorsignalen worden omgezet in stimulatie en signalering van nabijgelegen zenuwen.
Shen, die een NRT-LEAD-trainee is, geeft aan dat hij al langst geïnteresseerd is in het helpen van mensen in revalidatieomgevingen en een achtergrond heeft in sensorwerk en 3D-printen.
"Door dit project heb ik mijn interesses kunnen combineren," zegt hij. "Ik geloof dat wat we in dit project doen, op een dag geamputeerden echt zal helpen hun leven makkelijker te maken met ons apparaat."
***
Contactpersonen voor media:
- Kaiyan Qiu, WSU School of Mechanical and Materials Engineering
- Prashanta Dutta, WSU School of Mechanical and Materials Engineering
- Shawn Vestal, WSU News & Media Relations
Groetjes,