Hơn 1 triệu người ở Mỹ cần sử dụng cánh tay giả và muốn có một cánh tay giả, đó là những người bị mất tay do tai nạn và dị tật bẩm sinh. Ứớc tính chỉ có khoảng 27% đến 56% người Mỹ có thể sử dụng cánh tay giả, theo Viện Y tế Quốc gia.

Lý do chính mà những người có nhu cầu nhưng không thể có là giá cả, có thể từ 30.000 USD đến 90.000 USD hoặc hơn. Ngoài ra, thời gian di chuyển dài với một số người đến phòng khám hoặc bệnh viện phục hình gần nhất để định hình và đào tạo, giao dịch với các công ty bảo hiểm quá khó chịu và rườm rà.

Tình huống này thúc đẩy kỹ sư robotic Easton LaChappelle, sử dụng kiến ​​thức sâu rộng trong lĩnh vực chế tạo cánh tay giả để thiết kế và tiếp thị một loại cánh tay giả có giá cả phải chăng và bền vững hơn, có năng lực và chất lượng cao. Ông bị ảnh hưởng bởi cuộc tiếp xúc cá nhân với một cô gái trẻ, cần một cánh tay giả có giá 80.000 USD và sẽ phải được thay thế trong một vài năm khi cô gái lớn lên.

LaChappelle thành lập Unlimited Tomorrow (UT), chỉ đạo nhóm kỹ sư thiết kế một bộ phận giả dưới khuỷu tay, định hướng giảm chi phí tối thiêu mà không loại trừ những chức năng cần thiết.

Thiết kế cánh tay giả cơ bản

Thiết kế bắt đầu với bản quét độ phân giải cao cả 2 cánh tay của bệnh nhân, cánh tay còn nguyên vẹn và cánh tay bị khuyết. Các kỹ sư UT sử dụng dữ liệu quét để thực hiện những phép đo chính xác để bộ phận giả in 3D tùy chỉnh sẽ là hình ảnh phản chiếu của bàn tay / cánh tay khỏe mạnh. Quá trình quét cũng cho phép UT in ra một ổ gắn vừa khít với cánh tay của bệnh nhân.

Tay giả TrueLimb có thể được in 3D trên 450 sắc thái da khác nhau.  Nhưng nếu bệnh nhân muốn cá nhân hóa cánh tay của mình, họ có thể chọn một số màu không quá truyền thống, từ hồng đến vàng đến đen.

Công đoạn này giúp loại bỏ sự cần thiết phải thử và sửa lỗi tốn kém, mất thời gian.

Vỏ ngoài, bao gồm ổ cắm, ngón tay và khớp được làm bằng Nylon PA12 nhẹ và chắc chắn, sử dụng kỹ thuật multi-jet fusion (MJF), phương pháp in 3D tạo ra các bộ phận chính xác và bền. UT đã tạo ra 450 màu sắc khác nhau của nylon để bệnh nhân có thể phù hợp với màu da tự nhiên, thậm chí có thể thêm tàn nhang hoặc vết bớt để làm cho bộ phận trở nên hoàn hảo hơn.

Cần từ 24 đến 48 giờ để in các bộ phận và UT làm mát tự nhiên khi hoàn thành nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và phần mềm thông minh giúp UT đảm bảo gần như 100% các bộ phận được in hoàn hảo.

Sau khi được lắp ráp, 2 động cơ Maxon DCX12S và đầu bánh răng GPX112HP sử dụng “gân” nhân tạo để điều khiển độc lập ngón cái và ngón trỏ; một cặp mô tơ và đầu bánh răng số 3 điều khiển các ngón còn lại được liên kết cơ học. Động cơ chổi than DC có thể quay với tốc độ lên đến 3.800 vòng / phút, chạy nguồn 6 volt và cung cấp công suất 2 W với mô-men xoắn 1,9 mNm.

Các động cơ bền và có độ tin cậy cao, sử dụng công nghệ không lõi sắt của maxon cho mật độ công suất cao và kích thước nhỏ gọn. Theo LaChapelle, sử dụng động cơ và đầu hộp số của maxon cho phép UT tăng tốc độ và mô-men xoắn mà không làm tăng kích thước của bộ phận giả.

Khi động cơ quay kéo các gân, các ngón tay hoặc ngón cái co lại; khi các gân không bị kéo, các ngón tay sẽ thẳng ra. Các chữ số trên TrueLimb có giới hạn nâng. Mỗi ngón cái và ngón trỏ có thể nâng được 15 lb (7 kg), 3 ngón út, áp út và ngón giữa có khối lượng chung nâng lên là 15 lb (7 kg).

Pin có thể cung cấp năng lượng cho cánh tay và động cơ từ 3 đến 5 ngày hoặc hơn, tùy thuộc vào cách sử dụng. Pin có dung lượng 5.600 mAh và giữ được hơn 80% dung lượng sạc ban đầu sau 300 chu kỳ sạc. Có thể sạc lại bằng phần cứng và cổng USB-C thông dụng.

Động cơ nhỏ gọn, đầu hộp số, pin và tất cả các thiết bị điện tử đủ nhỏ để đặt trong lòng của tay giả trong những phiên bản cỡ trẻ em.

Cầm nắm và kiểm soát

Tay giả TrueLimb có thể được điều kiển thực hành 6 động tác cầm nắm khác nhau. Các tay giả khác, đắt tiền hơn cung cấp nhiều kỹ năng hơn, nhưng UT xác định rằng 6 kiểu cầm nắm này được sử dụng cho hầu hết các nhiệm vụ và giới hạn ở 6 giúp chi phí tối thiểu.

 

Để chuyển đổi giữa một số cách cầm nắm, ngón tay cái bionic phải xoay từ vị trí đối lập (dùng để kẹp các đồ vật giữa ngón cái và các ngón tay) sang hướng ra ngoài (xách các đồ vật như cặp hoặc túi mua sắm). Một số bàn tay nhân tạo xoay ngón tay cái bằng điện tử, nhưng phiên bản UT yêu cầu người dùng xoay ngón tay cái thủ công bằng tay còn lại, một cách tiếp cận tiết kiệm chi phí.

Để làm cho cánh tay giả trực quan và dễ sử dụng hơn, các kỹ sư UT đã đưa ra phương pháp điều khiển bàn tay khác với phương thức hoạt động của các bộ phận giả thông thường. UT gọi đó là TrueSense.

Các thiết bị truyền thống chỉ sử dụng hai cảm biến (điện cực), được gắn ở hai bên đối diện của cánh tay người dùng. Những điện cực này nhận tín hiệu điện từ các cơ của người dùng khi các cơ co lại. Các cảm biến phải được đặt chính xác ở một vị trí xác định trên tay người dùng, không có mồ hôi hoặc hơi ẩm cản trở việc phát hiện tín hiệu điện từ của cơ.

Một dãy 36 cảm biến được gắn trong ổ kết nối với chi để phát hiện những thay đổi cơ bề mặt 

TrueSense sử dụng tới 36 cảm biến được nhúng trong ổ gắn với tay tàng tật. Ma trận cảm biến 360 độ sử dụng công nghệ độc quyền để phát hiện sự thay đổi bề mặt của chi người dùng co các cơ nhất định, không phải tín hiệu điện. Điều này có nghĩa là không cần thiết tiếp xúc trực tiếp da với các cảm biến này. Điều này khiến người dùng có thể bảo vệ phần chi còn lại bằng vải hay vật liệu và mồ hôi, hơi ẩm không cản trở kiểm soát cánh tay. Các cảm biến có phạm vi rộng, cho phép cảm nhận được các chuyển động cơ nhỏ nhất. Đồng thời có một dạng phản hồi xúc giác. Một thiết bị nhỏ trong ổ tiếp xúc với chi sẽ rung khi các ngón tay giả tiếp xúc với vật.

Đáp ứng mọi nhu cầu của người dùng

Nhờ trình độ cao của đội ngũ thiết kế UT, tay giả TrueLimb chỉ nặng 1,5 lb (0,7kg), phù hợp cho bệnh nhân từ bảy tuổi trở lên và có thể được bán với giá ưới 8.000 USD (hoặc được mua trả góp với giá 279 đô la/tháng). Nếu một bệnh nhân từ 21 tuổi trở xuống sử dụng cánh giả, sự thay đổi cấu trúc là không thể tránh được đối với những bệnh nhân trẻ tuổi, UT sẽ sử dụng lại các thành phần và chế tạo lại cánh tay với giá chỉ 4.000 USD. UT cung cấp bảo hành hai năm cho TrueLimb.

Một cải tiến khác của UT là cung cấp trực tiếp đến người dùng. Như với mọi tay giả sinh học khác trên thị trường, TrueLimb có thể được mua ở một số phòng khám chọn lọc. Nếu bệnh nhân muốn thông qua một bác sĩ lâm sàng, UT sẽ làm việc với bác sĩ để cung cấp một tay giả theo yêu cầu. Do mọi hoạt động đo đạc tính toán đều thực hiện qua phần mềm, bệnh nhân không cần thiết phải đến phòng khám hoặc UT, mọi hoạt động đều thực hiện trực tuyến. Thiết bị hoàn chỉnh được gửi đến nhà bệnh nhân và người dùng được đào tạo về cách sử dụng thông qua phần mềm của TrueLimb. Tay giả TrueLimb hiện có sẵn ở Mỹ và Canada và công ty có kế hoạch mở rộng hoạt động ra toàn cầu.