Diseño de un generador de estímulos mecánicos como interfaz blanda entre prótesis y miembro residual a nivel transradial con capacidad nominal de estimulación entre 0 y 8.5 N a 70 Hz

Abstract

La manipulación de objetos y los movimientos fluidos, dirigidos a un objetivo, requieren información sensorial para una ejecución efectiva. Los amputados pierden esta retroalimentación intrínseca cuando controlan sus extremidades artificiales y deben confiar en la información visual para compensar esta carencia. Aquí, describimos una aplicación para proporcionar información táctil y kinestésica a los amputados. Se reporta un actuador neumático blando que se puede incorporar en una extremidad protésica como el propio revestimiento de succión de silicona. Este enfoque alivia muchos problemas inherentes a los factores rígidos, como las líneas mal reguladas del montaje externo, la contaminación de la señal de electromiografía (EMG) y la pérdida de fijación de la extremidad debido a los orificios en el revestimiento que permiten el contacto y vibración a la extremidad residual. Analizamos dos materiales blandos y diferentes geometrías de cámara para generar un prototipo. Caracterizamos las propiedades estáticas y dinámicas de este prototipo durante su funcionamiento, obteniendo una fuerza máxima de 12.5 N a 70 kPa, desplazamiento libre de 4.5 mm a 50 kPa y un ancho de banda cercano a 70 Hz. Presentamos un modelo analítico que encaja bien con los datos experimentales y proporcionamos una comparación entre este actuador neumático suave y otros dispositivos rígidos. Los resultados de la prueba del prototipo en participantes sanos y en una persona amputada demostraron que este actuador neumático suave logró un buen rendimiento en frecuencias de 5 y 70 Hz a 60 kPa. El entrenamiento en la sesión de los participantes con el prototipo reportó percepciones de flexión/extensión de la muñeca y demostró asociaciones aprendidas entre la presión sobre la piel y el cierre de la mano.

Object manipulation and fluid, goal-directed, movements require sensory information for effective execution. Amputees lose this intrinsic feedback when controlling their artificial limbs and must instead rely on visual information to compensate. Here, we describe an application for providing touch and kinesthetic information to amputees. We report on a soft pneumatic actuator approach that can be incorporated into a prosthetic limb as the silicone suction socket liner itself. This approach alleviates many problems inherent to rigid tactors such as poor trim lines from external mounting, electromyography (EMG) signal contamination, and loss of limb fixation suction due to holes in the liner to pass touch and vibration to the residual limb. We analyzed two soft materials and different chamber geometries to generate a prototype. We characterized the static and dynamic properties of this prototype during operation obtaining a maximum force of 12.5 N at 70 kPa, free displacement of 4.5 mm at 50 kPa, and a bandwidth near 70 Hz. We presented an analytical model that fits well with the experimental data and provided a comparison between this soft pneumatic actuator and other rigid tactor devices. The results of testing the prototype in able-bodied participants and one amputee individual demonstrated that this soft pneumatic actuator achieved good performance at frequencies of 5 and 70 Hz at 60 kPa. In sequential days of training with the prototype participants reported perceptions of wrist flexion/extension and demonstrated learned associations between tapping and hand closing.