Как сделать механические руки: Самодельная механическая рука с радиоуправлением (видео) » 24Gadget.Ru :: Гаджеты и технологии

Школьник из США создал механическую руку, управляемую силой мысли (видео)

Изобретение, напечатанное на 3D-принтере, работает на базе искусственного интеллекта.

Related video

17-летний школьник из Вирджинии, США, по имени Бенджамин Чой разработал искусственную руку, которой можно управлять при помощи искусственного интеллекта. О таком проекте написало издание Smithsonian Magazine.

По словам мальчика, около 10-ти лет назад он посмотрел документальный фильм «60 минут», в котором ученые имплантировали в голову женщины электронные датчики, которые позволили ей управлять роботизированным протезом силой мысли. Бенджамин Чой вдохновился фантастическим достижением и решил создать аналог, который позволит обойтись без сложной и рискованной операции на открытом мозге.

Во время пандемии у юного американца появилось много свободного времени, которое он потратил на воплощение своей мечты. Он оборудовал в подвале родительского дома лабораторию и при помощи 3D-принтера сестры создал первую версию роборуки. Оборудование позволяло печатать детали не более 4,7 дюймов (около 12 см), а скреплять их пришлось с помощью болтов и резинок. Только на одну печать компонентов ушло около 30 часов работы.

Рука управляется при помощи специального устройства, которое надевается на голову и преобразовывает мозговые волны и жесты в движения механической конечности. Два электрода (один — на лбу, а другой — на мочке уха) улавливают электрическую активность мозга, а затем датчики передают данные через Bluetooth на микрочип в протезе. Мальчик также разработал ИИ, который расшифровывает сигналы и заставляет руку выполнять то, что приказывает мозг. Команды также можно отдавать кивками головы или морганием глаз.

Бенджамин Чой изучал программирование и даже участвовал в мировом чемпионате по робототехнике. Начиная с девятого класса, он изучал языки программирования Python и C++. Через шесть месяцев после начала работы, школьник разместил на YouTube видео со своими наработками. Протез привлек внимание Джозефа Данна, жителя штата Пенсильвания с ампутированной рукой, который начал консультировать изобретателя по поводу дизайна.

В 2021 году Бенджамин Чой получил финансирование от Массачусетского технологического института и продолжил разработку в сотрудничестве с профессиональными инженерами. Около шести месяцев ушли на эксперименты с облачными вычислениями, чтобы сделать руку интернет-совместимой, он планировал хранить ИИ в облаке и настроить связь с протезом по Wi-Fi, однако время отклика на команды было слишком большим. В итоге парень решил сжать модель на чипе и встроить его в саму роборуку.

Во время создания ИИ Бенджамин привлек к работе шесть взрослых добровольцев и примерно по два часа в день собирал данные об их мозговой активности. Для этого он подключал к голове каждого человека электрод и просил сжимать и разжимать кулак. После этого ИИ учился различать сигналы и заставлять механическую конечность работать соответствующим образом. Искусственный алгоритм состоит из более чем 23 тысяч строк кода, 978 страниц математических операций и семь подмоделей, точность его составляет около 95%. По словам Бенджамина Чоя, до этого «золотым стандартом» был показатель в 73,8%.

Себестоимость руки Бена Чоя составляет около $300 — в разы дешевле, чем оцениваются другие роботические протезы на современном рынке. Относительной простое устройство с питанием от тела носителя стоит около $7 тыс. По состоянию на 2015 год очень продвинутый модульный протез конечности с полной рукой, который имеет 26 суставов, сотни датчиков и может сгибаться до 45 фунтов, стоил около 500 000 долларов.

Американскому инженеру еще есть над чем поработать, в частности, над присоединении руки к телу, пока конечность фиксируется на специальной стойке. Бенджамин Чой уверяет, что позже спроектирует крепление, но оно потребует индивидуальной настройки под каждого человека.

Цзи Лю, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Стоуни-Брук, отметил ум и трудолюбие Бенджамина Чоя. Летом 2021 года ученый удаленно работал вместе с мальчиком над созданием ИИ и дал ему несколько советов, в том числе о том, как создать большие наборы данных для обучения алгоритма. По словам Цзю Лю, дешевая роборука Чоя по качеству мало чем уступает более дорогим современным протезам.

Ранее стало известно, что искусственный интеллект позволяет вскрывать кошельки с криптовалютой. Исследователи выяснили, что инструмент Copilot использует для написания кода открытые базы данных, которые иногда содержат ключи от действующих счетов.

Рука помощи: как устроен бионический протез

Фото: A.R.M. Project Titanium

В следующем году холдинг «Технодинамика» Госкорпорации Ростех начнет серийное производство бионических протезов руки. Разработчики ставят перед собой амбициозную задачу – создать собственный «автомат Калашникова» в сфере бионического протезирования. Кроме того, разработки в этой тематике ведут холдинги «Швабе» и КРЭТ.


Для людей, лишившихся руки, бионический протез – это возможность почувствовать себя не инвалидом, а супергероем. Как отмечают создатели, такие протезы могут быть адаптированы и для использования на сложных и опасных производствах. Например, при дистанционной работе с огне- и взрывоопасными составами или в агрессивной среде.


О том, какие новые возможности предоставляет современная бионика и как устроен новейший бионический протез – в нашем материале. 

 

Запчасти для человека

О замене утраченных органов человечество задумывалось с древних времен, постепенно совершенствуя эту область знаний и сами протезы. Если первые протезы в основном имели эстетическое предназначение и визуально скрывали ущербность, лишь в редких случаях выполняя функции недостающих органов, то современные устройства в недалеком будущем смогут даже расширить возможности человека, сделав из него кибернетический организм, или киборга.

Несмотря на то что киборгизация человечества все еще выглядит сюжетом из фантастики, киборги уже живут среди нас, ведь так можно назвать любого человека, который использует механический или электронный протез или имплант. Сегодня одним из самых совершенных и при этом доступных видов протезирования верхних конечностей являются бионические протезы.

Бионика – наука, изучающая возможности применения свойств живой природы в технике. Впервые это слово употребил в 1958 году американский военный врач Джек Стил, который исследовал природные процессы и явления, чтобы применить эти знания в разработках для армии США. Одним из результатов развития бионики стало появление электронных протезов, которые могут взаимодействовать с нервными клетками человека. 

Примечательно, что в СССР подобные разработки начались еще в 1956 году, когда доктор биологических наук Яков Славуцкий описал физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. А уже в 1961 году начался промышленный выпуск советских протезов предплечья с биоэлектрическим управлением.

 

Стать киборгом за счет государства

В России около 200 тысяч человек нуждаются в протезировании рук или ног. Государство декларирует помощь в приобретении протеза, но на практике это часто оказывается проблематичным – либо очень сложно пройти через бюрократические препоны и получить компенсацию стоимости купленного за свои деньги протеза, либо выделяемые бесплатно протезы оказываются устаревших моделей и низкого качества. Еще одна проблема – сами инвалиды мало знают о современных протезах и о своих возможностях в получении технических средств реабилитации.

Но ситуация постепенно выравнивается. В рамках нацпроекта «Здоровье» увеличивается финансирование направления. В России за последние несколько лет появились свои стартапы разработчиков перспективных типов протезов, которые могут конкурировать с западными монополистами, по меньшей мере, на российском рынке. К теме проявляют интерес СМИ, шаг за шагом создается инфополе, у проектов появляются частные и государственные инвесторы, готовые поддержать деньгами и производственными возможностями. 

Важным стимулом к развитию функциональных протезов стало развитие технологий. Практически все современные промышленные тренды нашли отражение в протезировании конечностей – роботизация, искусственный интеллект, создание материалов нового поколения, увеличение емкости и снижение веса аккумуляторных устройств, 3D-печать и другие.

 

Как работает бионическая рука 

Бионический или биоэлектрический протез рождается на стыке наук – биологии, медицины, инженерии. Дизайн тоже играет немаловажную роль. Сегодня и производители, и будущие пользователи протезов не ограничивают себя в визуальном копировании природной конечности – протез может выглядеть футуристичной рукой робота или быть раскрашенным яркими принтами. 

Работает бионический протез так. На культю руки крепится гильза, которая в каждом случае изготавливается врачом-протезистом под индивидуальные параметры. В гильзе размещаются датчики мышечной активности, взаимодействующие уже непосредственно с роботизированной рукой. 

Фото: «Концерн Радиоэлектронные технологии»

Управление бионической рукой осуществляется через электроды с помощью биоэлектрических потенциалов мышц. Другими словами, протез «улавливает» мышечные импульсы и реагирует на них определенными движениями. Большинство задач решается двумя действиями протеза – хватом и щупом. Первое позволяет взаимодействовать с крупными предметами, второе – с мелкими, например застегнуть молнию или завязать шнурки. 

Некоторые производители расширяют возможности бионических протезов, встраивая в них различные датчики и гаджеты, устройства оплаты, фонарики. Уже сегодня понятно, что в обозримом будущем возможности протезов превысят возможности природных органов тела, и это откроет совершенно новые перспективы их применения.

Кибер-руки Ростеха 

В России наблюдается постепенный переход от косметического протезирования к функциональному, а рынок бионических протезов с каждым годом растет. По словам экспертов, в данный момент около 50 тыс. россиян стоят в очереди на протезирование рук. Сегодня благодаря участию госсектора молодые ученые и бизнесмены готовы вкладывать свои силы и знания в бионику. Невысокая цена – основное конкурентное преимущество отечественных разработок: базовые модели разрабатываются с учетом полного покрытия стоимости протеза субсидией Фонда социального страхования. Второй плюс для тех, кто выберет российский протез – более оперативная замена или ремонт в случае неполадок. 

Перспективным направлением занимается сразу несколько предприятий Ростеха. Например, холдинг «Технодинамика» в следующем году начнет серийное производство бионических протезов руки под маркой A.R.M., выполненных полностью из отечественных компонентов. Протез создан совместно с командой изобретателей из Ленинградской области. Искусственная рука из металла и полиуретана воспроизводит основные движения кисти, не боится пыли и влаги и работает до трех дней без подзарядки. С помощью протеза можно поднимать до 10 кг и захватывать предметы диаметром до 10 см. Производить протезы A.R.M. будет НПП «Краснознаменец». 

Холдинг «Швабе» уже выпускает высокотехнологичные протезы рук в сотрудничестве с резидентом «Сколково» – компанией «Моторика». Специалисты Вологодского оптико-механического завода собирают механическую часть протеза и внутренний остов кисти. Устройства «Моторики» отличаются чуткой системой управления, позволяющей работать с хрупкими предметами, различным дополнительным функционалом и длительным временем работы. Компания «Моторика» занимается просветительской деятельностью, помогает с получением протезов за счет государства и поддерживает сообщество владельцев бионики. 

В рамках холдинга КРЭТ производство бионических протезов осваивает НПО «Квант». Предприятие готовится к выпуску протезов SmartLi, разработанных новгородской компанией «Техбионик». Важное преимущество разработки – модульная конструкция протезов. Она открывает широкие возможности для адаптации устройств под конкретных пациентов и снижает стоимость протеза. Проект предусматривает выпуск целой линейки протезов: от облегченных моделей для маленьких детей до многофункциональных искусственных кистей.

Рука робота «сделай сам» — Музей науки Буффало

Перейти к основному содержанию

Закрыть поиск

Просмотреть все задания

Рука робота «Сделай сам»

Развлекайтесь наукой всей семьей! Выполняйте задания под присмотром родителей.

Материалы:

• Плотная бумага или тонкий картон (хорошо подойдут коробки из-под хлопьев, крекеров или салфеток)
• Пряжа или толстая нить
• 5 больших бусин (например, пластиковые бусины пони)
• 2 соломинки
• Ножницы
• Лента
• Карандаш

Процедура

1. Обведите руку на картоне и вырежьте ее.

2. Нарежьте соломинки на 1-дюймовые кусочки (или 1/2 дюйма, если у вас маленькая рука!).

3. С помощью скотча прикрепите кусочки соломинки к руке (см. верхнее изображение).

4. Сложите картон между соломинками — это будет имитировать ваши суставы (см. красные линии на верхнем изображении).

5. Отрежьте пять отрезков пряжи длиной 12 дюймов и привяжите к концу каждого по бусине.

6. Проденьте каждый кусок пряжи через кусочки соломинки, начиная с кончиков пальцев и заканчивая ладонью. Каждый палец должен управляться одной струной.

7. Используйте струны вместе или по отдельности, чтобы управлять движением каждого из пальцев. Поздравляю с новой рукой-роботом!

8. Обязательно сделайте снимок, чтобы поделиться им в комментариях на Facebook на страницах Музея науки Буффало или заповедника Тиффт!

О чем все это?

Что заставляет нас двигаться? Как мы прыгаем, плывем, пожимаем плечами, мчимся или растягиваемся? Внутри нашего тела постоянно происходит множество различных действий.

Знаете ли вы, что не все эти движения выполняются только мышцами? Наши пальцы необычны тем, что в них нет мышц! Они опираются на ряд тонких, прочных волокон, называемых сухожилиями, которые соединяют кости наших пальцев с мышцами рук.

Натяжение струн на вашей руке робота действует подобно сухожилиям в нашей руке, которые тянут наши кости в результате сгибания мышц руки. Когда мы отпускаем струну, пальцы снова становятся плоскими, как будто освобождается сухожилие.

Попробуй!

Ты видишь сухожилия в своих руках? Попробуйте сделать свою руку похожей на фото справа. Это кости или сухожилия, которые вы видите? Откуда вы знаете?

Возьмите правое предплечье левой рукой. Сожмите кулак, вытяните ладонь, пошевелите пальцами — что вы чувствуете? Почему?

Где еще могут быть сухожилия? Все ли сухожилия делают одно и то же?

Другие мероприятия на большой виртуальной научной ярмарке

• Мини-гольф своими руками

  Хотите верьте, хотите нет, но мини-гольф основан на математике и физике. Стреляйте в одну дырку в этой виртуальной научной ярмарке! Открыть активность

Закрыть меню

Создай искусственную руку — Scientific American

• Поделиться в Facebook

• Поделиться в Twitter

• Поделиться на Reddit

• Поделиться на LinkedIn

• Поделиться по электронной почте

• Распечатать

Создай рабочую руку Что вы сможете забрать? Узнайте и узнайте больше о технике и анатомии с помощью этого захватывающего занятия! Авторы и права: Джордж Рецек

Ключевые понятия
Машиностроение
Робот
Анатомия
Захват

Введение
Человеческая рука довольно удивительна. Вы можете делать такие вещи, как брать карандаш, использовать контроллер видеоигры или карабкаться в тренажерный зал джунглей, не задумываясь об этом. Создать искусственную руку, которая может делать все эти вещи, довольно сложно! В этом проекте вы попытаетесь построить простой искусственный захват, который может поднимать мелкие предметы.

Фон
На человеческой руке пять пальцев, каждый из которых имеет несколько суставов. Эти суставы контролируются мышцами и сухожилиями — мышцы тянут сухожилия, которые тянут суставы и заставляют их сгибаться. Человеческая рука имеет так много различных суставов, что делает ее очень гибкой, универсальной и легко адаптируемой к широкому спектру различных задач. Вы учитесь пользоваться руками в детстве, а к тому времени, когда вырастете, вам почти не придется об этом думать!

Инженеры годами пытались построить роботизированные руки, но оказалось, что это очень сложно. Мы достаточно хорошо научились создавать роботизированные руки, которые хорошо справляются с одной конкретной задачей . Например, роботизированный захват на заводе может быть предназначен для захвата определенной детали и прикрепления ее болтами к автомобилю. Однако если вы попытаетесь заставить этот захват поднять теннисный мяч или стакан воды, это вообще не сработает! Создание механической руки, столь же универсальной, как человеческая рука, остается огромной проблемой.

В этом проекте вы соберете простой искусственный захват, используя соломинки для питья и веревку. Вы сделаете надрезы в соломинках, которые будут действовать как «суставы», и проденете веревки через соломинки, чтобы они действовали как «сухожилия». Потянув за струны, суставы сгибаются. Вы можете поэкспериментировать с созданием различных типов захватов, например, простой захват, похожий на когти, который имеет только два пальца с одним суставом каждый или полную человеческую руку с индивидуальным контролем нескольких суставов.

Материалы

• Пластиковые соломинки для питья
• Игла (Соблюдайте осторожность и помогайте взрослым при обращении с острыми предметами. )
• Строка
• Скрепки
• Пластилин для лепки
• Мелкие предметы в ассортименте
• Ножницы
• Пинцет (дополнительно)
• Маленькие резинки (по желанию)
• Трубка для бумажных полотенец (дополнительно)

Подготовка

• Соберите все свои материалы на плоской рабочей поверхности, где достаточно места, чтобы создать и протестировать свое творение.

Процедура

• Сначала вы потренируетесь делать один «палец». С помощью ножниц (и при необходимости с помощью взрослых) аккуратно сделайте небольшой треугольный вырез в середине соломинки для питья. Убедитесь, что вы не разрезаете соломинку насквозь. Это должно позволить вам «перегнуть» соломинку в этой точке, но после того, как вы отпустите соломинку, она должна вернуться к своей первоначальной форме. Эта выемка является «суставом» на пальце.
• Протяните один конец веревки через игольное ушко.
• Аккуратно проткните соломинку иглой чуть выше вырезанной выемки. Убедитесь, что вы прокалываете соломинку с той же стороны, где вырезали выемку, а не с «обратной» стороны.
• Полностью протолкните иглу в соломинку за прорезь, которую вы вырезали, и проденьте ее через нижнюю часть соломинки. Это может помочь использовать пару пинцетов, чтобы добраться до соломинки (либо через выемку, либо снизу), чтобы захватить иглу и протянуть ее через соломинку. Вы также можете держать соломинку вертикально и встряхивать ее, чтобы игла упала вниз.
• Продолжайте протягивать иглу, пока около 10 сантиметров нити не выйдет из нижней части соломинки. Эта струна будет действовать как «сухожилие», помогающее пальцу сгибаться.
• Обрежьте другой конец веревки, оставив достаточно, чтобы можно было завязать узел. Убедитесь, что узел достаточно большой, чтобы его нельзя было протянуть через отверстие, проколотое иглой.
• Развяжите или отрежьте нить от игольного ушка.
• Привяжите нижний конец веревки к скрепке.
• Вы только что закончили свой первый «палец». Держите основание соломинки одной рукой. Другой рукой потяните за скрепку. Это должно привести к тому, что соломинка согнется в надрезе, подобно пальцу, сгибающемуся в суставе. Что можно взять одним этим пальцем? Чем поможет большее количество пальцев?
• Теперь пришло время построить больше пальцев! Повторите описанные выше шаги, чтобы сделать хотя бы еще один палец. Вы также можете решить, имеет ли каждый палец несколько суставов или только один. Если палец имеет несколько суставов, вы можете использовать одну струну для управления ими всеми (путем завязывания над последним суставом) или отдельные струны для управления каждым из них (путем продевания нескольких струн через соломинку над каждым суставом).
• Поэкспериментируйте с созданием разных типов пальцев и управлением ими, потянув за струны.
• Теперь пришло время соединить пальцы в захват! Тип руки, которую вы проектируете и строите, полностью зависит от вас. Имейте в виду, что вам не нужно проектировать человеческую руку с пятью пальцами. Например, вы можете сделать клешню с двумя клешнями (как у краба или омара) или клешню с тремя или четырьмя симметричными пальцами (как в аркадных автоматах, которые поднимают мягкую игрушку).
• Попробуйте объединить несколько пальцев. Используйте глину для лепки, чтобы сформировать основу или «ладонь» вашей руки, сформировав ее вокруг основания соломинок. Убедитесь, что вы не закрываете нижнее отверстие соломинки, чтобы вы могли потянуть за веревку. Регулировка пластилина для лепки позволяет изменять положение и ориентацию пальцев относительно друг друга.
• В зависимости от типа глины для лепки, которую вы используете, вы можете дать ей высохнуть на воздухе и затвердеть, чтобы ваша рука работала лучше. (Может быть трудно работать рукой, пока глина еще мягкая. Некоторые типы глины могут быть достаточно твердыми для начала, поэтому они сразу же начнут работать.)
• Попробуйте потянуть за веревку(и), чтобы управлять пальцами, как только они будут закреплены на ладони. Возможно, вам придется внести некоторые коррективы, чтобы все работало правильно. Как вы думаете, какие изменения вы можете внести, чтобы улучшить производительность вашей руки?
• Теперь попробуйте взять рукой несколько мелких предметов. Имейте в виду, что ваша рука сделана из соломинок, поэтому она не очень сильная, поэтому вы должны использовать ее только для подъема легких предметов (например, пустых пластиковых бутылок, а не наполненных жидкостью).
• Ваша рука лучше берет одни предметы, чем другие? Не могли бы вы создать руку, специально предназначенную для захвата определенных предметов? Например, одним типом рук можно брать цилиндрические предметы, такие как бутылки, а другим — сферическими, такими как теннисные мячи? Как вы думаете, было бы сложно создать что-то столь же адаптивное, как человеческая рука, которая может легко брать предметы самой разной формы?
• Дополнительно: Поместите ладонь механической руки на конец картонной трубки от бумажных полотенец и проденьте веревки через трубку. Теперь у вас есть захват с увеличенным радиусом действия, который вы можете использовать, чтобы поднимать предметы!
• Дополнительно: Пластиковые соломинки могут быть скользкими, поэтому постарайтесь улучшить «хват» вашей механической руки. Например, оберните соломинку небольшими резинками. Облегчает ли улучшение сцепления соломинок подъем предметов?

Наблюдения и результаты
Вы должны быть в состоянии построить искусственную руку, которая может поднимать легкие предметы, такие как мячи для пинг-понга, пустые пластиковые бутылки или маленькие мягкие игрушки. Будет сложно построить руку из соломинок и пластилина для лепки, которая может хватать более тяжелые предметы. Если вы хотите сделать руку более сильной, вы можете заменить соломинки и глину более прочными материалами из хозяйственного магазина (например, пластиковыми трубками для пальцев, металлическим тросом для сухожилий и деревянной основой с просверленными в ней отверстиями).