Toucher humain : des récepteurs de métal liquide pour fournir une sensation tactile aux prothèses

Des chercheurs du Collège d’ingénierie et d’informatique de la Florida Atlantic University ont créé des capteurs tactiles extensibles en métal liquide pour le bout des doigts prothétiques, qui pourraient imiter le toucher humain et améliorer le sens au fil du temps. Les capteurs extensibles de FAU ont été conçus pour remédier à quelques-uns des principaux inconvénients des prothèses : le manque de sensation de pression, les barrières physiques créées par les capteurs et, finalement, l’abandon des prothèses si la fonctionnalité n’est pas idéale.

Améliorer la fonction sensorielle de la prothèse

Les capteurs prothétiques actuels sont entravés par leur taille et leur forme physiques, selon Erik Engeberg, PhD, professeur agrégé au département de génie océanique et mécanique et membre du Stiles-Nicholson Brain Institute de la FAU, de l’Institute for Sensing and Embedded Network Systems Engineering et Center for Complex Systèmes et sciences du cerveau. « La plupart des capteurs de cette nature sont généralement rigides et non conformes, ce qui rend difficile l’interaction avec d’autres personnes, en serrant la main et en tenant des enfants », a expliqué Engeberg. « Les capteurs ne sont pas propices à l’interaction humaine. »

Les mains prothétiques traditionnelles manquent également de sensation tactile, a déclaré Engeberg. « Les gens ont un sens du toucher très raffiné et les appareils sensoriels sont au mieux rudimentaires. » Alors que les mains prothétiques fournissent une aide considérable aux amputés des membres supérieurs, les activités quotidiennes peuvent encore s’avérer délicates avec des doigts artificiels, y compris le ramassage d’objets. C’est parce que les prothèses n’ont pas le sens aigu du toucher que les doigts humains possèdent naturellement à partir de milliers de récepteurs tactiles, selon Florida Atlantic. Ces récepteurs sensoriels gèrent l’équilibre délicat consistant à appliquer suffisamment de pression pour saisir sans tomber, mais pas autant de pression pour écraser un objet. Les prothèses ont eu du mal à gérer cet équilibre de pression.

Adaptabilité pour chaque amputé

La technologie de capteur nouvellement développée par FAU s’efforce d’améliorer la capacité de sensation des capteurs prothétiques et de les rendre adaptables à l’utilisateur. Les capteurs extensibles sont composés d’élastomères de silicone avec des microcanaux formés par photolithographie. Du métal liquide est injecté dans les microcanaux, a expliqué Engeberg, et les changements de résistance ou de pression dans les microcanaux sont utilisés pour détecter les textures. L’IA traduit les changements de résistance en « signatures uniques » pour des textures spécifiques. « Les algorithmes d’apprentissage automatique permettent à la prothèse de faire la distinction entre différents types de textures », a déclaré Engeberg. « Pas seulement la pression, mais les textures du velours côtelé contre le daim, de la peau humaine contre la fourrure d’un animal de compagnie. »

Avec l’apprentissage automatique, les capteurs ont le potentiel de s’améliorer avec l’utilisation et de s’adapter à l’utilisateur car certaines textures sont rencontrées à plusieurs reprises dans leur vie quotidienne. « Les commentaires aident à améliorer un gros problème dans les prothèses – l’abandon de l’appareil – parce que la prothèse ne semble pas naturelle. Ce que nous avons fait, c’est montrer que l’IA est capable de distinguer les textures. Des capteurs tactiles extensibles pourraient améliorer la connexion entre l’appareil et l’utilisateur et conduire à une utilisation plus significative, avec des informations sensorielles gérées dans l’appareil prothétique pour réduire la charge cognitive de l’amputé ou renvoyées vers le corps de l’utilisateur. Les informations pourraient potentiellement être renvoyées de manière invasive ou non invasive à l’amputé, a déclaré Engeberg.

Photo par Alex Dolce, Florida Atlantic University

Prochaines étapes du développement

Un développement supplémentaire est prévu après confirmation de la faisabilité des capteurs extensibles. Les prochaines étapes potentielles incluent l’essai des capteurs avec des amputés dans un environnement réel.

Les données actuelles étaient basées sur des essais récents des capteurs (20 essais pour chacune des 10 surfaces texturées) attachés à quatre doigts. Les essais ont recueilli des informations sur la vitesse lorsque les capteurs ont été glissés le long des surfaces texturées. Le plus performant parmi les algorithmes a démontré une précision de 99,2 % dans la distinction entre les 10 textures différentes, selon la FAU. Les données recueillies ont été utilisées pour former quatre algorithmes d’apprentissage automatique et ont été publiées dans une étude du journal, Capteurs.

Une autre étude récente en février de la North Carolina State University et publiée dans la revue, Capteurs IEEE, a utilisé un capteur flexible pour détecter les changements de pression sur le site de la connexion du membre amputé et de la prothèse. Conçus comme des «fils conducteurs», les capteurs pourraient potentiellement être utilisés dans une chaussette et surveiller les changements au sein d’un dispositif prothétique.