Bras robotisé pour amputés : contrôle tactile en temps réel
Pour les plus de 5 millions de personnes dans le monde ayant subi une amputation des membres supérieurs, la prothèse a parcouru un long chemin. Au-delà des membres traditionnels ressemblant à des mannequins, le nombre de neuroprothèses commerciales augmente — des membres bioniques très articulés, conçus pour capter les signaux musculaires résiduels du patient et reproduire robotiquement les mouvements visés.
Cette agilité de haute technologie a toutefois un prix. La neuroprothèse peut coûter des dizaines de milliers de dollars et repose sur des structures métalliques équipées de moteurs électriques, souvent lourdes et rigides.
Des ingénieurs de l'Institut de technologie du Massachusetts (MIT) et de l'Université Jiao Tong de Shanghai ont mis au point une main neuroprothétique souple, légère et potentiellement peu coûteuse. Les personnes amputées ayant testé la prothèse ont accompli des gestes du quotidien : fermer la fermeture éclair d'une valise, verser du jus d'une brique et caresser un chat.
Elles y sont parvenues aussi bien, et dans certains cas mieux, qu'avec des neuroprothèses plus rigides. Les chercheurs ont constaté que la prothèse dotée d'un système de retour tactile a rétabli certaines sensations primitives dans le moignon du volontaire.
Ce nouveau design est également étonnamment résistant et se remet rapidement d'un coup de marteau ou d'un écrasement par une voiture. La main intelligente, souple et élastique, pèse environ 200 g. Le coût de ses composants s'élève à environ 500 $, soit une petite fraction du poids et du coût des matériaux des membres intelligents plus rigides.
« Ce n'est pas encore un produit, mais son efficacité est déjà comparable à celle des neuroprothèses existantes, voire supérieure, ce qui nous enthousiasme beaucoup. Il existe un potentiel considérable pour fabriquer cette prothèse souple à très bas prix pour les familles à faibles revenus touchées par une amputation »
La conception de la main rappelle le robot gonflable du dessin animé « Big Hero 6 ». La main artificielle est faite d'un matériau souple et élastique, l'élastomère commercial EcoFlex. La prothèse comporte cinq doigts, chacun recouvert de segments de fibres, à l'image des os articulés des vrais doigts. Ils sont reliés à une « paume » tridimensionnelle ayant la forme d'une main humaine.
Plutôt que de commander chaque doigt par des moteurs électriques, comme dans la plupart des neuroprothèses, les chercheurs ont utilisé un simple système pneumatique pour gonfler précisément les doigts et les plier dans des positions définies. Ce système, composé d'une petite pompe et de valves, peut être porté à la ceinture, ce qui réduit nettement le poids de la prothèse elle-même.
L'équipe a développé un modèle informatique reliant la position souhaitée d'un doigt à la pression que la pompe doit appliquer pour l'atteindre. Les chercheurs ont également conçu un contrôleur qui guide le système pneumatique pour gonfler les doigts dans des positions imitant cinq prises courantes, dont la pince à deux et trois doigts et le poing serré.
Le système pneumatique reçoit des signaux de capteurs EMG, des capteurs d'électromyographie qui mesurent les signaux électriques générés par les motoneurones pour commander les muscles. Les capteurs sont placés dans l'emboîture de la prothèse, à l'endroit où elle se fixe au membre de l'utilisateur. Ils peuvent détecter les signaux du moignon, par exemple lorsque la personne amputée imagine serrer le poing.
Un algorithme spécialisé « décode » les signaux musculaires et les associe aux types de prises courants. Les ingénieurs ont utilisé cet algorithme pour programmer le contrôleur de leur système pneumatique.
Lorsque la personne imagine tenir un verre à vin, les capteurs détectent les signaux musculaires résiduels, que le contrôleur convertit en pressions adaptées. La pompe applique alors cette pression pour gonfler chaque doigt et obtenir la prise souhaitée par l'utilisateur.
Les chercheurs ont voulu ajouter un retour tactile, une fonction absente de la plupart des neuroprothèses commerciales. Pour cela, ils ont fixé un capteur de pression au bout de chaque doigt, qui émet un signal électrique proportionnel à la pression ressentie lors d'un contact ou d'une compression. Chaque capteur est relié à un emplacement précis sur le moignon de la personne, ce qui lui permet de « sentir » par exemple quand elle appuie avec le pouce plutôt qu'avec l'index.
Pour tester la main robotisée, les chercheurs ont fait appel à deux volontaires, chacun amputé d'un membre supérieur. Après avoir enfilé la neuroprothèse, ils ont appris à s'en servir en contractant à plusieurs reprises les muscles de la main, en imaginant cinq prises courantes.
Après une séance d'entraînement de 15 minutes, on leur a demandé de réaliser une série de tests standard évaluant la force et la dextérité : plier des dames, tourner des pages, écrire avec un stylo, soulever des balles lourdes et ramasser des objets fragiles (comme des fraises). Ils ont refait ces tests avec une main bionique plus rigide et ont constaté que la prothèse gonflable était aussi bonne, voire meilleure.
L'un des volontaires a pu utiliser intuitivement la prothèse souple dans ses activités quotidiennes : manger (même des crackers) et manipuler différents objets (ordinateurs portables, bouteilles, marteaux et pinces). Il a pu manipuler la prothèse en toute sécurité pour serrer la main de quelqu'un, toucher une fleur ou caresser un chat.
L'exercice le plus impressionnant : les chercheurs ont bandé les yeux du volontaire et constaté qu'il pouvait distinguer le doigt qu'ils touchaient. Il a aussi réussi à « sentir » des bouteilles de tailles différentes placées dans la prothèse. L'équipe considère ces expériences comme un signe prometteur : les patients amputés pourraient retrouver, en temps réel et grâce à une main gonflable, une forme de sensibilité et de contrôle.
