Tecnologia Científica

Controle-se: adicionar dispositivos táteis às mãos protéticas facilita a carga mental dos usuários
Por meio de neuroimagem, os engenheiros descobrem que próteses que fornecem feedback sensorial tátil reduzem a energia mental que os usuários gastam ao usar o dispositivo
Por Catherine Graham - 15/04/2021


Cortesia

Pesquisadores das universidades Johns Hopkins e Drexel dizem que adicionar alças - uma sensação artificial de toque - às próteses de membros superiores reduz o esforço mental necessário para operar o dispositivo, aproximando-nos do desenvolvimento de tecnologia protética que funciona mais como membros saudáveis.

No que os pesquisadores estão chamando de o primeiro estudo desse tipo, a equipe interinstitucional usou neuroimagem para investigar se o feedback tátil ajudaria as pessoas que usam próteses de mãos a despender menos esforço mental durante a realização de tarefas. As descobertas da equipe foram publicadas hoje no IEEE Transactions on Human Machine Systems .

Usando a espectroscopia de infravermelho próximo funcional, os pesquisadores
mediram o esforço mental dos participantes do estudo enquanto realizavam
tarefas simples usando uma prótese de mão.

"Estudos mostraram que adicionar dispositivos táteis a dispositivos protéticos trazem benefícios, pois as informações sensoriais ajudam o usuário a executar melhor as tarefas", diz o autor sênior Jeremy D. Brown, professor assistente de engenharia mecânica na Escola de Engenharia Whiting da Universidade Johns Hopkins. "Mas o que não ficou claro é como o feedback tátil afeta os processos cognitivos. Nosso estudo fornece fortes evidências de que o feedback tátil é benéfico tanto do ponto de vista cognitivo quanto do desempenho da tarefa."

Membros protéticos podem melhorar a qualidade de vida de muitos amputados, mas alguns também relatam que usá-los para realizar tarefas diárias pode ser desafiador. As próteses produzidas comercialmente oferecem ao usuário um feedback sensorial limitado ou nenhum; em vez disso, os usuários confiam muito no feedback visual - observando cuidadosamente seu próprio dispositivo à medida que o movem - para controlar seus movimentos com precisão.

Ter que monitorar constantemente seu membro protético durante o uso é mentalmente fatigante para alguns usuários, fazendo com que alguns abandonem totalmente o dispositivo. Mesmo assim, relativamente poucos estudos foram realizados para avaliar a demanda mental imposta aos indivíduos ao usarem próteses.

Neste estudo, os participantes foram solicitados a usar uma prótese para apertar três blocos que pareciam idênticos, mas na verdade tinham vários graus de rigidez, e para identificar o mais rígido. Eles realizaram a tarefa com a mão sã, com uma prótese padrão e com uma prótese que fornecia feedback da força de preensão por meio de vibrações.

Durante cada tarefa, os pesquisadores mediram o esforço mental de cada participante por meio de uma técnica de neuroimagem chamada espectroscopia de infravermelho próximo funcional, fNIRS, que monitorava diretamente sua atividade cerebral. Com o fNIRS, os participantes usam um capacete portátil que mede a natureza variável no tempo do esforço mental por meio de mudanças nos níveis de oxigenação do sangue no córtex pré-frontal, a parte do cérebro envolvida na tomada de decisões, planejamento e outros comportamentos; quanto mais exigente cognitivamente uma tarefa, mais oxigênio é bombeado em direção ao córtex pré-frontal.

"OS RESULTADOS DEMONSTRAM O VALOR POTENCIAL DO FEEDBACK SENSORIAL HÁPTICO EM PRÓTESES, ESPECIALMENTE SE ESTUDOS FUTUROS CONFIRMAREM QUE MINIMIZAR A CARGA COGNITIVA IRÁ MAXIMIZAR A USABILIDADE DE DISPOSITIVOS PROTÉTICOS".


"A neuroimagem móvel baseada em FNIRS permite a medição contínua da função cerebral em configurações cada vez mais realistas e, portanto, permite estudar a cognição natural com aplicações práticas para a vida cotidiana", disse Hasan Ayaz , co-autor sênior do estudo, e professor associado e bolsista da Provost Solutions na Escola de Engenharia Biomédica, Ciências e Sistemas de Saúde da Universidade Drexel. "Este estudo também é uma demonstração do campo interdisciplinar emergente da neuroergonomia, que se beneficia dos avanços na neuroimagem móvel e pode ajudar a informar o projeto de ferramentas, tecnologia e ambientes de trabalho, incluindo próteses."

Ao comparar a carga cognitiva entre as condições, a equipe descobriu que os participantes que usaram suas mãos saudáveis ​​tiveram o melhor desempenho com o mínimo de esforço mental. Os pesquisadores dizem que isso era esperado, considerando que a mão humana está equipada com cerca de 17 mil receptores sensoriais. Mas ao usar a prótese com feedback tátil integrado, os participantes realizaram a tarefa melhor e registraram uma carga cognitiva mais baixa do que os participantes que usaram uma prótese padrão.

Os pesquisadores dizem que os resultados demonstram o valor potencial do feedback sensorial háptico em próteses, especialmente se estudos futuros confirmarem que minimizar a carga cognitiva irá maximizar a usabilidade de dispositivos protéticos. Brown diz que o trabalho futuro de seu grupo se concentrará na aplicação desse método a tarefas mais complexas e na validação dessas descobertas com amputados de membros superiores. Ele acredita que mais informações sobre feedback tátil e carga cognitiva irão beneficiar o campo maior das interações entre humanos e robôs, além de apenas dispositivos protéticos.

A equipe considera o estudo uma verdadeira revelação sobre o quão bom é o "padrão ouro" para a pesquisa de próteses - neste caso, a mão natural.

Os participantes eram quase perfeitos com seus membros naturais. De muitas maneiras, isso nos mostra que a sensação ao toque traz benefícios claros para as próteses, mas ainda temos um longo caminho a percorrer se quisermos realmente replicar a forma e a função do que podemos fazer com nossos membros naturais ", disse Neha Thomas, autor principal do artigo e estudante de graduação em engenharia biomédica.

Outros colaboradores do laboratório de Brown incluem Garrett Ung, um aluno de mestrado em robótica e um ex-aluno recente do programa de graduação em engenharia mecânica.

 

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