Construction d'un bras robotisé contrôlé par la respiration : "C'est comme un troisième bras"

Une nouvelle solution high-tech a été créée pour les personnes ayant perdu leurs fonctions motrices : il s'agit de bras robotisés conçus par la neuro-ingénierie. Voyons cela de plus près.

Le troisième bras robotisé pour la récupération des fonctions motrices

EPFL/Youtube screenshot

Perdre les fonctions sensorielles et motrices à la suite d'accidents, d'événements traumatiques ou de problèmes neurologiques est une condition qui concerne plusieurs personnes. C'est précisément pour elles que le neuroingénieur Silvestro Micera, président de la Fondation Bertarelli en Neuroingénierie translationnelle à l'EPFL, en Suisse, et professeur de bioélectronique à la Scuola Superiore Sant'Anna, a travaillé. Pour la première fois, il a orienté ses travaux vers l'amélioration des fonctions cognitives et du corps humain, parvenant à concevoir des solutions technologiques avancées. Dans l'étude publiée avec son équipe, il a décrit la méthode pour surveiller les mouvements du diaphragme afin de pouvoir utiliser un troisième bras robotique ajouté au corps humain.

Micera a expliqué : « Cette étude ouvre de nouvelles opportunités passionnantes, démontrant qu'il est possible de contrôler largement des bras supplémentaires et qu'un contrôle simultané avec les deux bras naturels est possible. »
La recherche s'inscrit dans le cadre du projet Third-Arma, dont l'objectif est de mettre à disposition un bras robotique capable d'apporter une assistance dans les activités quotidiennes, mais aussi dans des actions de sauvetage et de recherche. « La principale motivation de ce contrôle du troisième bras est de comprendre le système nerveux. En mettant le cerveau au défi de faire quelque chose de complètement nouveau, nous pouvons découvrir s'il a la capacité de le faire et si nous pouvons faciliter cet apprentissage. Nous pourrons ensuite transférer ces connaissances pour développer, par exemple, des dispositifs d'assistance pour les personnes handicapées ou des protocoles de rééducation après un AVC. »

Le troisième test de bras dans l'environnement virtuel

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Le coauteur de l'étude, Solaiman Shokur, scientifique principal à l'EPFL au sein de l'Institut Neuro-X, a ajouté : « Nous voulons comprendre si notre cerveau est programmé pour contrôler ce que la nature nous a donné, et nous avons démontré qu'il peut s'adapter pour coordonner de nouveaux membres de concert avec ceux biologiques. »
En substance, explique-t-il, il s'agit d'acquérir de nouvelles fonctions motrices liées à l'amélioration, en plus de celles déjà présentes chez un individu, qu'il soit en bonne santé ou handicapé. « Du point de vue du système nerveux, c'est un continuum entre la rééducation et l'amélioration. »

Les chercheurs ont exploré les limites cognitives potentielles du bras robotique en créant un environnement virtuel, à travers lequel un individu en bonne santé a tenté de manœuvrer un bras virtuel en contrôlant son diaphragme. Le test a montré que l'utilisation du diaphragme n'interfère ni n'empêche l'utilisation de la parole, du regard ou des bras physiques. Dans la configuration virtuelle, le sujet en bonne santé est équipé d'une ceinture détectant le mouvement du diaphragme. À l'aide d'un casque spécifique à la réalité virtuelle, il peut visualiser le bras supérieur droit, le bras supérieur gauche et un troisième bras central avec une main symétrique composée de six doigts. Ce choix a été guidé par le désir d'éviter une orientation préférentielle vers la main gauche ou droite.

À ce stade, on a demandé au participant d'allonger les mains virtuelles en utilisant celles correspondantes, y compris la main symétrique. À l'aide d'un exosquelette soutenu par les deux bras physiques, l'utilisateur peut manœuvrer les bras virtuels droit et gauche, tandis que la ceinture attachée autour du diaphragme détecte le mouvement du bras symétrique central. Ces configurations d'essai ont été réalisées avec 61 sujets différents lors de plus de 150 sessions distinctes. 

Le bras robotique contrôlé par la respiration est simple et intuitif

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Le contrôle du diaphragme pour déplacer le troisième bras s'est révélé très intuitif. Les participants ont appris à le contrôler très rapidement. Ensuite, les chercheurs ont également testé le contrôle du diaphragme avec un bras robotique réel, composé d'une simple tige qui s'étend lorsque la personne contracte le diaphragme. Une autre expérience, en ligne avec celle virtuelle, consistait à déplacer la souris en la positionnant au-dessus de cercles avec la main droite, la main gauche et le bras robotique.

Bien que la recherche ne mentionne pas l'expérience supplémentaire, la possibilité d'utiliser les muscles vestigiaux de l'oreille pour effectuer des actions simples a également été explorée. Des capteurs auriculaires sont appliqués à la personne, et en s'entraînant à utiliser les mouvements subtils de ces muscles, elle peut essayer de diriger la souris dans la direction souhaitée. Shokur a précisé que « les utilisateurs pourraient potentiellement utiliser ces muscles de l'oreille pour contrôler un membre supplémentaire ». Micera a expliqué quel serait l'objectif futur : « Notre prochaine étape est d'explorer l'utilisation de dispositifs robotiques plus complexes en utilisant nos différentes stratégies de contrôle, pour accomplir des tâches dans la vie réelle, à l'intérieur et à l'extérieur du laboratoire. Ce n'est qu'alors que nous pourrons saisir le véritable potentiel de cette approche. »

Il ne reste plus qu'à attendre les développements ultérieurs des stratégies de contrôle sensorimoteur et des interfaces homme-machine de plus en plus résolues et innovantes.