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Rivoluzionare le Protesi: Il Nuovo Gomito a Rigidezza Variabile

Scopri come i gomiti a rigidità variabile stanno cambiando la vita delle persone amputate.

Giuseppe Milazzo, Simon Lemerle, Giorgio Grioli, Antonio Bicchi, Manuel G. Catalano

― 6 leggere min


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Perdere un arto è un evento che ti cambia la vita. Non colpisce solo la tua capacità fisica, ma ha anche conseguenze emotive e sociali. I dispositivi protesici sono creati per aiutare le persone a riacquistare la loro mobilità e indipendenza. Però, nonostante i progressi nella tecnologia, molte protesi non funzionano ancora come gli arti umani veri. Una protesi tipica spesso manca della flessibilità e del controllo necessari per movimenti naturali.

Immagina di dover mangiare una zuppa con un cucchiaio usando un bastone rigido. È così che si sentono molte persone usando le braccia protesiche tradizionali. Possono aiutarti nelle attività quotidiane ma sono lontane dall'essere perfette. Recenti ricerche hanno cercato di creare dispositivi protesici che imitino meglio il modo in cui funzionano i nostri veri arti, offrendo più comfort e flessibilità.

Novità?

Un salto significativo nella tecnologia protesica è lo sviluppo di gomiti protesici a Rigidità variabile. A differenza dei dispositivi protesici standard, che hanno rigidità fissa, questi nuovi Design permettono agli utenti di cambiare la rigidità dell'articolazione del gomito. Significa che possono rendere l'articolazione più flessibile per compiti che richiedono movimenti delicati, come scrivere o suonare uno strumento, e più rigida per attività che necessitano di maggiore supporto, come sollevare una scatola.

Questi gomiti a rigidità variabile funzionano usando un tipo speciale di attuatore. Pensa a un attuatore come a un piccolo motore che controlla quanto rigido o morbido si sente il gomito. Invece di un approccio unico per tutti, questi dispositivi possono essere regolati in base alle esigenze dell'utente, offrendo un'esperienza più naturale e confortevole.

Perché la rigidità è importante

La rigidità di un'articolazione protesica è cruciale per le sue prestazioni. La rigidità influisce su quanta forza l'articolazione può sostenere e su quanto bene può adattarsi a diversi compiti. Quando sollevi oggetti pesanti, serve un'articolazione più rigida per sostenere il peso. Al contrario, quando fai compiti delicati, un'articolazione più morbida permetterà un movimento più naturale senza il rischio di infortuni.

Un gomito che può regolare la sua rigidità è come avere un attrezzo che può diventare un martello o un piumino, a seconda di ciò di cui hai bisogno. Permette agli utenti di interagire con l'ambiente in modo più naturale, rendendo le attività quotidiane più facili e confortevoli.

Come funziona?

Il gomito a rigidità variabile usa un design intelligente che imita il modo in cui funzionano i nostri muscoli e tendini. Invece di fare affidamento su un solo motore per far funzionare il gomito, questi dispositivi protesici spesso usano due motori. Questo sistema può creare forze opposte, simile a come i nostri bicipiti e tricipiti lavorano insieme.

Quando pieghi il braccio, i tuoi bicipiti si contraggono mentre i tricipiti si rilassano. Lo stesso principio si applica a questi gomiti a rigidità variabile. I motori lavorano l'uno contro l'altro per controllare l'angolo e la rigidità dell'articolazione del gomito. Questo sistema dinamico permette un'ampia gamma di movimento e rigidità che somiglia molto al movimento umano naturale.

Scelte di design

Progettare un gomito protesico non è affatto facile. Gli ingegneri affrontano spesso la sfida di rendere il dispositivo leggero pur garantendo che resti funzionale. I nuovi design puntano a trovare un equilibrio tra dimensione, peso e prestazioni.

Per esempio, alcuni design mantengono tutti i componenti contenuti all'interno dell'avambraccio. Questa scelta aiuta a ridurre il peso complessivo della protesi mantenendo una buona gamma di movimento. D'altra parte, alcuni design separano i motori tra il braccio superiore e l'avambraccio. Questo approccio distribuisce il peso in modo più uniforme e può rendere il dispositivo più confortevole per gli utenti che necessitano di ulteriore supporto.

Test e validazione

Per assicurarsi che questi gomiti a rigidità variabile siano efficaci, è fondamentale effettuare test e validazione approfonditi. Questo comporta controllare quanto bene la protesi può imitare il movimento naturale e come risponde a diversi compiti. I test spesso includono la valutazione della capacità del gomito di piegarsi a vari angoli e di sostenere pesi diversi.

Sorprendentemente, alcuni design possono sollevare fino a 3 kg mantenendosi leggeri. Questa capacità è notevole rispetto alle protesi tradizionali, che potrebbero avere problemi con pesi simili. Inoltre, studi di caso nel mondo reale mostrano che gli utenti beneficiano dalla possibilità di regolare la rigidità, rendendo le attività quotidiane più gestibili.

Applicazioni nel mondo reale

Le applicazioni pratiche per i gomiti a rigidità variabile sono numerose. Potrebbero migliorare notevolmente la vita quotidiana degli amputati. Molti utenti scoprono che i dispositivi protesici tradizionali limitano la loro capacità di coinvolgersi in attività. Con la rigidità variabile, possono affrontare un'ampia gamma di compiti, dalla cucina agli sport.

Per esempio, qualcuno potrebbe facilmente passare dal sollevare una busta della spesa a mescolare una pentola, tutto con lo stesso braccio. In scenari in cui gli utenti interagiscono con vari ambienti, come un mercato o un parco, la possibilità di adattare la rigidità può migliorare notevolmente la sicurezza e l'efficacia.

Esperienza dell'utente

L'esperienza dell'utente è al centro dello sviluppo di nuove tecnologie protesiche. L'obiettivo non è solo creare un dispositivo funzionale, ma uno con cui gli utenti si sentano a proprio agio. I ricercatori sono ben consapevoli di questa esigenza e considerano il feedback degli utenti durante il processo di design. Molti amputati hanno espresso il desiderio di interazioni più naturali con i loro arti protesici.

Incorporando il feedback degli utenti, gli sviluppatori possono affinare i dispositivi per soddisfare le esigenze individuali. Caratteristiche come una presa regolabile o un movimento delle dita più reattivo possono fare la differenza tra un dispositivo che è solo funzionale e uno che sembra un'estensione del corpo.

Il futuro delle protesi

Con il progresso della tecnologia, il futuro delle protesi sembra promettente. Sforzi continui di ricerca e sviluppo mirano a perfezionare ulteriormente questi dispositivi. Miglioramenti nei materiali, come l'uso di compositi più leggeri e resistenti, renderanno le protesi ancora più efficaci.

Inoltre, i progressi nei sistemi di controllo consentiranno un uso più intuitivo. Per esempio, integrare sensori che possono rilevare i movimenti muscolari e rispondere di conseguenza potrebbe eliminare la necessità di regolazioni manuali. L'obiettivo è creare un'interfaccia senza soluzione di continuità tra l'utente e l'arto protesico, rendendo l'esperienza il più vicina possibile al naturale.

Conclusione

In sintesi, lo sviluppo di gomiti protesici a rigidità variabile rappresenta un passo avanti significativo nella tecnologia protesica. Consentendo agli utenti di regolare la rigidità dell'articolazione del gomito, questi dispositivi offrono interazioni più naturali e confortevoli con il mondo.

Con ricerche continue, miglioramenti nel design e una migliore Esperienza Utente, il futuro sembra luminoso per chi fa affidamento su arti protesici. Questi progressi potrebbero cambiare non solo come vivono gli amputati, ma anche come si sentono riguardo le loro capacità, permettendo loro di affrontare la vita con fiducia, umorismo e un po' meno appiccicosità nella loro zuppa.

Fonte originale

Titolo: Design, Characterization, and Validation of a Variable Stiffness Prosthetic Elbow

Estratto: Intuitively, prostheses with user-controllable stiffness could mimic the intrinsic behavior of the human musculoskeletal system, promoting safe and natural interactions and task adaptability in real-world scenarios. However, prosthetic design often disregards compliance because of the additional complexity, weight, and needed control channels. This paper focuses on designing a Variable Stiffness Actuator (VSA) with weight, size, and performance compatible with prosthetic applications, addressing its implementation for the elbow joint. While a direct biomimetic approach suggests adopting an Agonist-Antagonist (AA) layout to replicate the biceps and triceps brachii with elastic actuation, this solution is not optimal to accommodate the varied morphologies of residual limbs. Instead, we employed the AA layout to craft an elbow prosthesis fully contained in the user's forearm, catering to individuals with distal transhumeral amputations. Additionally, we introduce a variant of this design where the two motors are split in the upper arm and forearm to distribute mass and volume more evenly along the bionic limb, enhancing comfort for patients with more proximal amputation levels. We characterize and validate our approach, demonstrating that both architectures meet the target requirements for an elbow prosthesis. The system attains the desired 120{\deg} range of motion, achieves the target stiffness range of [2, 60] Nm/rad, and can actively lift up to 3 kg. Our novel design reduces weight by up to 50% compared to existing VSAs for elbow prostheses while achieving performance comparable to the state of the art. Case studies suggest that passive and variable compliance could enable robust and safe interactions and task adaptability in the real world.

Autori: Giuseppe Milazzo, Simon Lemerle, Giorgio Grioli, Antonio Bicchi, Manuel G. Catalano

Ultimo aggiornamento: 2024-12-05 00:00:00

Lingua: English

URL di origine: https://arxiv.org/abs/2412.03985

Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.03985

Licenza: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Modifiche: Questa sintesi è stata creata con l'assistenza di AI e potrebbe presentare delle imprecisioni. Per informazioni accurate, consultare i documenti originali collegati qui.

Si ringrazia arxiv per l'utilizzo della sua interoperabilità ad accesso aperto.

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