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A mão mecânica pode sentir

14.10.2014

Graças à nova tecnologia, uma pessoa com uma mão protética pode distinguir em qual dos dedos artificiais ele toca objetos. Além da sensibilidade aprimorada, os cientistas também desenvolveram uma maneira mais confortável de prender as mãos artificiais ao corpo.

Uma prótese de membro ideal deve ter as mesmas propriedades de um membro real - deve se mover e sentir da mesma maneira. Um progresso considerável foi feito em relação à mobilidade de braços e pernas artificiais, mas e a sensibilidade? Sentimos frio, calor, podemos distinguir uma caneta de uma lixa graças a muitos receptores especiais localizados na pele e conectados ao cérebro. É possível fazer um sistema de sensibilidade semelhante em uma prótese?

Para os desenvolvedores de próteses biomecânicas, uma das principais tarefas era fazer com que o membro artificial sentisse corretamente a pressão mecânica. Por exemplo, se uma pessoa quer pegar um copo com uma mão artificial, deve calcular a força de preensão para não esmagá-lo e, para isso, basta sentir com precisão a pressão da superfície do vidro nos dedos e na palma da mão. Há quase 40 anos, são realizados experimentos nos quais neurocientistas tentam criar um feedback satisfatório entre o cérebro e uma mão artificial com sensores eletrônicos de pressão. No entanto, o sucesso foi alcançado apenas muito recentemente: Silvestro Micera (Silvestro Micera) da Escola Politécnica Federal de Lausanne (Suíça) e seus colegas relataram em fevereiro nas páginas da Science Translational Medicine que conseguiram criar uma mão que poderia não apenas gentilmente pegue um copo, mas e para distinguir pelo toque um objeto redondo de um quadrado.

A prótese biomecânica foi equipada com sensores que estimavam a pressão da mão sobre o objeto pela tensão nos tendões artificiais que controlam os movimentos dos dedos. De acordo com essa voltagem, os sensores geravam um sinal elétrico, mas dessa forma o sistema nervoso não o entenderia, então era necessário um algoritmo que convertesse o sinal em uma linguagem compreensível ao sistema nervoso. O impulso convertido através dos eletrodos entrou nos nervos do ombro sobrevivente.

Mas alguns meses depois, outro artigo apareceu na Science Translational Medicine, no qual um grupo de pesquisadores da Case Western Reserve University (EUA) afirma ter conseguido fazer uma prótese mais sensível. Eles usaram mais de uma dúzia de sensores de pressão, que foram convertidos em impulsos elétricos de várias intensidades e durações. Esses impulsos eram transmitidos aos nervos por meio de três eletrodos implantados sob a pele. Cada eletrodo se conectava a apenas um nervo, mas havia muitos pontos de conexão entre eles: duas pessoas com mãos amputadas participaram do estudo, uma delas tinha um nervo conectado ao eletrodo com vinte contatos, a outra tinha um número menor. Como resultado, os designers conseguiram maior detalhamento das sensações: uma pessoa podia distinguir exatamente o que toca na superfície com um dedo mínimo artificial ou um polegar artificial.

Além disso, voluntários com mãos artificiais podiam distinguir, por exemplo, uma lixa de uma superfície lisa ou com nervuras, e se a mão estivesse em duas superfícies ao mesmo tempo, a pessoa poderia dizer qual parte da mão sentiu o quê. A mão mecânica tornou possível pegar uma baga sem danificá-la e passar pasta de dente em uma escova de dentes - ações bastante sutis que exigem coordenação de sensações e força aplicada. A confiabilidade das sensações dependia do número de "entradas" entre o eletrodo e o nervo, bem como a precisão das transformações do sinal do computador. Se antes as sensações da prótese se limitavam a um formigamento mais ou menos forte, agora, com a ajuda do design criado por Dustin Tyler (Dustin Tyler) e seus colegas, as sensações biomecânicas tornaram-se mais reais.

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O dispositivo híbrido é baseado em um material de nova geração com função de armazenamento de energia. Para construí-lo, os engenheiros criaram camadas de fibra de carbono carregadas positivamente e negativamente. Os últimos foram empilhados em ordem alternada - assim, os cientistas montaram um composto durável de armazenamento de energia. Além disso, o novo material recebeu tiras de grafeno de carbono com diversos tipos de óxidos metálicos. Após uma série de experimentos, os cientistas encontraram a composição ideal e criaram uma “bateria supercapacitora”.

Folhas especiais de grafeno presas a camadas de fibra de carbono aumentaram a capacidade do material de armazenar uma carga. Ao mesmo tempo, óxidos metálicos depositados nos eletrodos anexados aumentaram a tensão e forneceram uma alta densidade de energia. Ao mesmo tempo, o ciclo de vida da bateria acabada não foi afetado - o recurso dos ciclos de carga e descarga de sua bateria é 10 vezes maior que o das baterias comerciais para veículos elétricos.

Entre as vantagens adicionais da invenção, os cientistas identificaram a não toxicidade e a incombustibilidade. Graças à sua construção, que utiliza múltiplas camadas de fibra de carbono, o material tem a resistência e a resistência necessárias para resistir a um acidente de carro. Mesmo em caso de acidente grave, uma bateria nova só se deformará, mas não pegará fogo. O sistema também funciona como um supercapacitor, podendo aumentar a potência dos carros elétricos – por exemplo, levará apenas 0 segundos para acelerar de 100 a 3 km/h.

As características da nova bateria reforçada dependerão do tipo de design básico. No entanto, os cientistas já estão prometendo uma autonomia adicional de 25% para veículos elétricos, além de uma redução significativa no peso das baterias. A velocidade de carregamento dos carros elétricos também será aumentada.

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