Innovation main dans la main

La plupart d'entre nous ne connaissent les prothèses fonctionnelles que des films de science-fiction, dans lesquels les extrémités artificielles donnent des forces surhumaines. Dans la vraie vie, les prothèses bioniques de main ne transforment pas ceux qui les portent en super-héros. Toutefois, elles leur permettent de réaliser de nombreuses choses qui s'avèrent naturelles pour la plupart des gens.

Mouvement intuitif

La prothèse myoélectrique Bebionic pèse entre 400 et 600 grammes, ce qui représente à peu près le poids d'une main naturelle. Elle est commandée par de petits signaux électriques dans le corps. Ceuxci sont générés par des contractions musculaires et peuvent être mesurés à l'aide d'électrodes sur la peau comme lors d'un électrocardiogramme pour le diagnostic cardiaque. Deux électrodes intégrées dans la tige de la prothèse détectent les signaux myoélectriques et les transmettent à l'électronique de commande. Ces signaux sont renforcés et utilisés pour l'activation des cinq petits moteurs électriques (un pour chaque doigt) qui font bouger les doigts et permettent ainsi d'ouvrir ou de fermer la main. C'est l'intensité de la contraction musculaire qui détermine la vitesse et la force de préhension : un signal faible génère un mouvement lent tandis qu'un signal fort produit un mouvement rapide. Les muscles utilisés pour ouvrir et fermer la prothèse de main sont ceux qui assurent le mouvement du poignet pour une main naturelle. La personne équipée d'un prothèse doit donc apprendre à se servir de ces muscles pour une autre fonction. « Le cerveau humain est doté d'une incroyable capacité d'adaptation. En l'espace de peu de temps, les personnes effectuent les mouvements de manière aussi intuitive qu'un conducteur appuie sur la pédale de frein pour freiner. », explique Ted Varley, directeur technique chez Steeper.

Des mini moteurs supplémentaires pour plus de contrôle

La première main myoélectrique est arrivée au début des années 1980 sur le marché. Elle était actionnée par un moteur individuel et n'avait qu'un seul mécanisme de préhension : il était possible de former une pince en fermant le pouce, l'index et le majeur. L'annulaire et l'auriculaire n'étaient présents que pour des raisons esthétiques et n'était dotés d'aucune force de préhension. Il y a une dizaine d'années, ce concept a été entièrement modifié pour la main Bebionic. « Nous avons constaté que les personnes acceptent une faible force de préhension par doigt si cela leur octroie plus de flexibilité. », explique Ted Varley. Pour pouvoir les commander de manière individuelle, chacun des doigts de la main Bebionic est équipé de son propre mini moteur électrique. Quatre mini moteurs des doigts sont placés dans la paume de la main et le cinquième se trouve dans le pouce même. Des codeurs sont intégrés aux moteurs pour détecter à tout moment la position précise des doigts.
Grâce à l'électronique de commande individuelle, il est possible de disposer les doigts de manière à former un total de 14 modèles de préhension différents. La prise de clé (où le pouce monte et descend tandis que les autres doigts restent pliés) permet par exemple de tenir des objets plats, tels qu'une assiette, une clé ou une carte de crédit. Avec la prise en crochet, il est possible de porter des charges lourdes de jusqu'à 25 kilogrammes, avec l'index tendu d'utiliser les claviers et télécommandes. Pour la préhension de force, le pouce se trouve en position opposée aux autres doigts qui se ferment jusqu'à rencontrer une résistance. Cette fonction est utilisée pour saisir des objets de forme irrégulière, tels qu'un verre à vin. « Cette posture a l'air beaucoup plus naturelle qu'une prise en pince. De plus, la préhension est plus stable lorsque tous les doigts sont utilisés. », souligne Ted Varley.

Plus grande estime de soi

La main bionique rend beaucoup d'activités quotidiennes plus faciles. « En fait, les choses facilitées par la prothèses sont souvent des bagatelles. Mais mises bout à bout, ces bagatelles contribuent à une bien meilleure qualité de vie. », raconte Ted Varley.De plus, la main artificielle a un effet psychologique important : « De nombreux utilisateurs rapportent qu'ils ont une plus grande estime de soi grâce à Bebionic, car leur prothèse high-tech suscite l'intérêt et la fascination. »
Le design attractif de la prothèse joue ici un rôle essentiel. « Notre approche lors de la conception de la troisième génération de Bebionic était plutôt inhabituelle pour le domaine prothétique : nous avons tout d'abord développé l'enveloppe, puis recherché des solutions pour y intégrer les différents composants. », souligne Ted Varley. « Il y a encore cinq ans, cela aurait était impossible pour la petite main, la technologie n'était pas assez avancée pour cela. » En 2013, lorsque la société Steeper s'est adressée à FAULHABER pour son projet, le mini moteur C.C. de la série 1024 SR, prédestiné pour l'application, se trouvait encore en phase de développement. Les équipes de projet des deux parties ont alors accéléré simultanément le développement de la série de mini moteurs et de la prothèse de main. Les équipes de développement de STEEPER et de FAULHABER se sont régulièrement rencontrées en Grande- Bretagne et en Suisse. L'intermédiaire de ces rencontres et partenaire exclusif de distribution de FAULHABER en Grande-Bretagne, Electro Mechanical Systems (EMS), y a également participé. Cette intensive collaboration a finalement donné naissance à un moteur avec un rapport force/volume hors du commun et à un entraînement sur mesure pour le pouce, couronnant ainsi de succès la coopération approfondie lors du développement.

Excellentes performances

Le nouveau mini moteur C.C. de la série 1024 SR est effectivement le meilleur de sa catégorie et le plus performant de sa taille disponible sur le marché. Avec un diamètre de 10 mm et une longueur de 24 mm, il fournit un couple de maintien de 4,6 mNm. De plus, grâce à la faible vitesse de rotation, il offre un couple d'entraînement élevé constant sur toute la plage de vitesses. Les bonnes performances sont rendues possibles notamment grâce au développement d'une nouvelle bobine qui contient 60 % de cuivre en plus par rapport au modèle précédent et qui a été combinée avec un puissant aimant en terres rares. Afin de garantir un mouvement le plus silencieux possible, la main artificielle a été équipée de réducteurs planétaires sur mesure de la série 10/1 qui ne contient aucune matière plastique. « Le développement d'un système d'entraînement linéaire destiné à être intégré dans le pouce a représenté un défi particulier. », indique Tiziano Bordonzotti, ingénieur commercial chez FAULHABER Minimotor. Le roulement à quatre points ultra-précis de la filiale de FAULHABER Micro Precision Systems (MPS) a permis un dimensionnement de l'entraînement bien plus court que ceux de la concurrence. Grâce à ses caractéristiques uniques, le roulement à quatre points peut résister aux forces axiales élevées nécessaires à l'application et ce, malgré des dimensions inférieures à celles de systèmes de paliers alternatifs. Avec une longueur totale inférieure à 49 mm, l'entraînement complet du pouce est en mesure de supporter une force axiale de jusqu'à 300 N.
Ted Varley est très satisfait du résultat de cette collaboration : « La main Bebionic de taille S est la prothèse myoélectrique de main la plus réaliste du marché. Nous n'aurions pas pu réaliser ce projet sans l'étroite coopération et l'engagement de l'équipe de projet FAULHABER. »