Önceki araştırmalaragöre 1, 2019 itibariyle dünya çapında 100 milyondan fazla inme vakası vardı. Bu vakaların yaklaşık üçte ikisi hemiplejik sekel ile sonuçlandı ve şiddetli hemiplejik inme hastalarının %80'inden fazlası el ve kol fonksiyonlarını tam olarak iyileştiremedi2. Ayrıca, yaşlanan nüfusun önümüzdeki yıllarda artmaya devam etmesi ve potansiyel inme kurbanlarının sayısında önemli bir artışa yol açması bekleniyor. İnme sonrası kalıcı üst ekstremite bozuklukları günlük yaşam aktivitelerini (ADL'ler) önemli ölçüde etkileyebilir ve el rehabilitasyonu, kronik inme hastalarının aktivitesini ve katılımını artırmak için klinik olarak kritik bir hedef olarak kabul edilmiştir3.
Geleneksel motor tahrikli robotik üst ekstremite cihazları önemli bir itici güç sağlayabilir, ancak sert yapıları genellikle büyük boyutlara ve yüksek ağırlıklara dönüşür. Ayrıca, arızalanmaları durumunda insan vücuduna geri dönüşü olmayan zararlar verme riski taşırlar. Buna karşılık, yumuşak pnömatik aktüatörler rehabilitasyon4, yardım5 ve cerrahi uygulamalarda6 önemli bir potansiyel göstermiştir. Avantajları arasında güvenlik, hafif yapı ve doğal uyumluluk yer alır.
Son yıllarda, yumuşak pnömatik aktüatörler etrafında çok sayıda esnek giyilebilir robot ortaya çıktı, tasarlandı ve geliştirildi. Bu robotlar, inme hastalarının üst ekstremitelerinin rehabilitasyonu ve rehabilitasyon sonrası yardımı için tasarlanmıştır. Öncelikle el dış iskeletlerini 7,8 ve süper nümerik uzuvları 9,10 kapsarlar. Her ikisi de giyilebilir robotik ve rehabilitasyon alanlarında kullanılsa da, birincisi insan vücudu ile doğrudan etkileşime girerek potansiyel olarak kasları veya eklemleri kısıtlarken, ikincisi doğrudan kısıtlama olmaksızın insan çalışma alanını veya hareketini tamamlar11,12. Ergoterapistlere günlük yaşam aktiviteleri (ADL'ler) eğitiminde yardımcı olmak için servo motorlara dayalı giyilebilir süper nümerik robotik parmaklargeliştirilmiştir 9. Benzer bir yaklaşım diğer araştırmalardada bulunabilir 10. Bu iki robotik parmak kategorisi, hemiparetik hastaların rehabilitasyon yardımında bu tür robotların uygulanması için yeni olanaklar getirmiştir. Bununla birlikte, bu robotik tasarımlarda kullanılan sert yapının, kullanıcı konforu ve güvenliği ile ilgili potansiyel hususları beraberinde getirebileceğini belirtmekte fayda var. Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) sırasında el rehabilitasyonu ve göreve özel eğitim için kullanılabilecek yumuşak giyilebilir bir robotik eldivenin tasarımı, üretimi ve değerlendirilmesi13 sunuldu. Eldiven, parmak eklem hareketi oluşturmak için silikon elastomerlerden yapılmış yumuşak pnömatik aktüatörler kullanır ve cihaz, fMRI görüntülerinde artefaktlara neden olmadan MR uyumludur. Yun ve ark. montaj tabanlı bir yaklaşım kullanan özelleştirilebilir yumuşak pnömatik yardımcı eldiven olan Exo-Glove PM'yi tanıttı14. Bu yenilikçi tasarım, küçük modüllere ve aralarında ayarlanabilir mesafelere sahiptir ve kullanıcıların ara parçalar kullanarak eldiveni falanks uzunluklarına göre özelleştirmelerine olanak tanır. Bu yaklaşım, özel üretime gerek kalmadan konfor ve performansı en üst düzeye çıkarır. Araştırmacılar, pnömatik ağlar olarak işlev gören entegre kanallara sahip elastomerik malzemelerden oluşan yumuşak aktüatörler sundular15. Bu aktüatörler, insan parmak hareketlerine güvenli bir şekilde uyan bükme hareketleri üretir. Ek olarak, araştırmacılar hafif ve uyarlanabilir bir şişirilebilir yumuşak dış iskelet cihazı olan AirExGlove'u tanıttı16. Bu sistem uygun maliyetlidir, farklı el boyutları için özelleştirilebilir ve farklı seviyelerde kas spastisitesi olan hastaları başarıyla barındırmıştır. Rijit bağlantılı robotik sistemlere kıyasla daha ergonomik ve esnek bir çözüm sunar. Bu çalışmalar esnek giyilebilir el rehabilitasyonu ve yardımcı robotların geliştirilmesine önemli katkılar sağlamış olsa da, hiçbirinin tam taşınabilirlik ve insan-robot etkileşimi kontrolüne ulaşmadığını belirtmekte fayda var.
Çok sayıda çalışma, elektroensefalogram (EEG)17 veya elektromiyogram (EMG) sinyalleri18 gibi biyolojik sinyaller ile insan niyeti arasındaki ilişkiyi araştırmıştır. Bununla birlikte, her iki yaklaşımın da mevcut cihazların ve teknolojik koşulların kısıtlamaları dahilinde belirli sınırlamaları vardır. İnvaziv elektrotlar insan vücudunda cerrahi prosedürler gerektirirken, non-invaziv elektrotlar yüksek gürültü seviyeleri ve sinyal alımında güvenilmezlik gibi sorunlardan muzdariptir. Bu sınırlılıkların ayrıntılı tartışmaları literatürde bulunabilir19,20. Bu nedenle, esnek giyilebilir süper nümerik robotik uzuvların taşınabilirliği ve kullanıcı dostu insan-makine etkileşimi yeteneklerine yönelik araştırma arayışı oldukça alakalı olmaya devam etmektedir.
Bu çalışmada, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama yardımında yardımcı olmak için benzersiz bir esnek, giyilebilir süpernümerer robotik uzuv tasarlandı ve üretildi. Bu robotik uzuv, hafifliği, güvenliği, uyumluluğu, su geçirmezliği ve etkileyici çıktı-ağırlık/basınç oranı ile karakterize edilir. Taşınabilirliği korurken ve kullanıcı dostu bir insan-robot etkileşimi sağlarken, zarf ve parmak ucu kavrama olmak üzere iki kavrama modu elde edilmiştir. Protokol, pnömatik tutucunun ve giyilebilir şemanın tasarım ve üretim sürecini detaylandırır. Ek olarak, eşik segmentasyonu yoluyla uygun ve kullanıcı dostu kontrole izin veren esnek bükme sensörlerine dayalı bir insan-robot etkileşim yöntemi önerilmiştir. Tüm bu yönler pratik deneylerle doğrulanmıştır.
Bu çalışmanın ana katkıları şu şekilde özetlenmiştir: (1) Kronik inme hastaları için hafif, kullanıcı dostu ve giyilebilir esnek bir süper nümerik robotik uzuv tasarlanmış ve üretilmiştir. (2) Esnek bükme sensörlerine dayalı güvenilir bir insan-robot etkileşimi yöntemi gerçekleştirilmiştir. (3) Önerilen mekanizma ve yöntemin etkinliğini ve güvenilirliğini doğrulamak için, çıktı kuvveti testini içeren ve altı kronik inme hastasını içeren gerçek dünya deneyleri yapılmıştır.