上海交大、MIT團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)新型智能假手，僅約292克
文丨學(xué)術(shù)頭條，作者丨XT，編審丨寇建超
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有超過 500 萬人正經(jīng)受著失去上肢的痛苦，上肢截肢給患者的生活帶來了災(zāi)難性的傷害。
盡管人工義肢已取得了長足的進(jìn)步，不僅可以幫助截肢患者恢復(fù)肢體功能，還可以極大地調(diào)整他們的心理狀態(tài)，但大多數(shù)人使用的義肢仍以美容裝置或功能性鉤狀抓手為主。
如今，除了傳統(tǒng)的類人體模型附屬物外，越來越多的商業(yè)神經(jīng)義肢走入市場，高度鉸接的仿生肢體可感知使用者的殘余肌肉信號，并以機(jī)器人方式模仿佩戴者的預(yù)期動作。
但獲得這種靈巧性是有代價(jià)的，神經(jīng)義肢可能要花費(fèi)數(shù)萬美元，而且需要圍繞金屬骨架建造，配備的電機(jī)也可能又重又硬。?
近日，來自上海交通大學(xué)、麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們設(shè)計(jì)出了一款柔軟、輕巧且可能實(shí)現(xiàn)低成本制作的神經(jīng)義肢。他們通過讓截肢患者進(jìn)行一些日常活動（比如擼貓、拉行李箱的拉鏈、倒一箱果汁）來測試這種義肢的性能。在某些情況下，這種義肢表現(xiàn)出的性能優(yōu)于那些相對堅(jiān)硬的神經(jīng)義肢。
相關(guān)研究以 “A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback” 為題，發(fā)表在?Nature Biomedical Engineering?上，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院谷國迎教授、朱向陽教授，以及麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系趙選賀教授為該論文的共同一作和共同通訊作者，另一位一作為上海交通大學(xué)博士生? Ningbin Zhang。
（來源：Nature Biomedical Engineering）
這種義肢既柔軟又富有彈性，重約 292 克，成本總額約為 500 美元，無論是重量還是價(jià)格，都低于剛性智能義肢。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)有觸覺反饋系統(tǒng)的義肢還恢復(fù)了志愿者殘肢的一些原始感覺。而且，這種義肢也出乎意料的耐用，在被錘子敲擊或被汽車碾壓后能迅速恢復(fù)。
對此，趙選賀表示，“這還不是一個(gè)產(chǎn)品，但其性能已經(jīng)類似或優(yōu)于現(xiàn)有的神經(jīng)義肢，我們對此感到興奮。對于低收入家庭的截肢患者來說，這種軟義肢的成本非常低，具有巨大的應(yīng)用潛力。”
在未來的研究中，通過對手指使用更硬的彈性體和施加更高的氣動壓力，可以潛在地增加柔軟手指的抓取力，采用先進(jìn)的肌電解碼算法和感覺反饋方法，也能優(yōu)化系統(tǒng)性能。這種柔軟、重量輕、低成本的神經(jīng)義肢必將推動個(gè)性化神經(jīng)義肢手的發(fā)展。
“硬核” 的柔軟義肢
這種義肢柔韌的新設(shè)計(jì)源于柔軟、有彈性的商用材料 EcoFlex，與動畫電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》（Big Hero 6）中的充氣機(jī)器人大白（Baymax）有著驚人的相似之處。
這個(gè)柔軟的神經(jīng)義肢手由 5 個(gè)柔軟的手指和 1 個(gè)可以提供 6 個(gè)活動自由度的手掌（通過 3D 打印而成）組成，每個(gè)手指都嵌入了 2-3 個(gè)具有特定長度的剛性纖維段，用于模仿人類手掌的拇指或其他手指的關(guān)節(jié)骨。
圖 | 機(jī)器人大白
在此次研究中，與大多數(shù)神經(jīng)義肢使用電動機(jī)控制的方法不同，研究人員使用了一個(gè)簡單的氣動系統(tǒng)來精確地給手指充氣，并將它們彎曲到特定的位置，氣動柔性手指的設(shè)計(jì)具有成本低、重量輕和可擴(kuò)展制造的優(yōu)點(diǎn)，可以穿在腰間，大大減輕了義肢的重量。
而且，研究人員還通過一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，將手指的理想位置與泵必須施加的相應(yīng)壓力相關(guān)聯(lián)，以精確達(dá)到某些位置。利用這個(gè)模型，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)控制器，該控制器可以指導(dǎo)氣動系統(tǒng)在模擬 5 種常見抓握的位置上給手指充氣，包括將 2 個(gè)和 3 個(gè)手指捏在一起，握成一個(gè)球狀的拳頭，以及握住手掌。
圖 | 軟神經(jīng)義肢的設(shè)計(jì)與操作（來源：該論文）
此外，研究人員還通過整合手部的肌電傳感器、觸摸傳感器和電刺激器，為軟體神經(jīng)義肢開發(fā)了一個(gè)雙向的人機(jī)界面，系統(tǒng)接收來自肌電傳感器的信號，肌電傳感器測量運(yùn)動神經(jīng)元產(chǎn)生的電信號以控制肌肉。這些傳感器安裝在義肢的開口處，可以從殘余肢體接收信號，比如當(dāng)截肢者想要握拳時(shí)發(fā)出的神經(jīng)信號。
研究人員使用現(xiàn)有算法 “解碼” 肌肉信號，并將它們與常見的抓握類型相關(guān)聯(lián)，使用這種算法為他們的氣動系統(tǒng)控制器編程。例如，當(dāng)截肢者想象自己拿著酒杯時(shí)，傳感器會采集殘余的肌肉信號，然后控制器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力，來使每個(gè)手指膨脹并產(chǎn)生截肢者的預(yù)期抓握。
圖 | 軟神經(jīng)義肢手的性能表征（來源：該論文）
未來，研究人員希望能夠更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)觸覺反饋，這是目前大多數(shù)商業(yè)神經(jīng)義肢中沒有包含的功能。
為此，他們在義肢的每個(gè)指尖上縫上了一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)觸摸或擠壓該傳感器時(shí)，會產(chǎn)生與感受到的壓力成正比的電信號。每個(gè)傳感器都連接到截肢者殘肢上的特定位置，因此當(dāng)義肢的拇指被按壓時(shí)，用戶就可以 “感覺到”。
吃喝拉，都可以
為了測試這種義肢的性能，研究人員招募了兩名上肢截肢志愿者。經(jīng)過簡單的培訓(xùn)，志愿者們很快就學(xué)會了如何通過反復(fù)收縮手臂肌肉、同時(shí)想象 5 個(gè)常見抓握動作來使用這種義肢。
完成 15 分鐘的培訓(xùn)后，志愿者被要求進(jìn)行一系列標(biāo)準(zhǔn)化測試，以展示手動力量和靈活性。這些任務(wù)包括疊棋子、翻頁、用鋼筆書寫、舉起重球以及撿起草莓和面包等易碎物品。
圖 | 志愿者的日常活動測試（來源：該論文）
同時(shí)，研究人員也使用一只更堅(jiān)硬的已在市場售賣的仿生手重復(fù)了同樣的測試，發(fā)現(xiàn)他們的義肢在大多數(shù)任務(wù)中與堅(jiān)硬的同類產(chǎn)品一樣好，甚至更好。而且，在整個(gè)測試過程中，受試者都感覺柔軟的神經(jīng)義肢手比堅(jiān)硬的神經(jīng)義肢手要輕得多。
其中，一名志愿者還能靈活地使用柔軟的義肢進(jìn)行日常活動，例如吃餅干、蛋糕和蘋果等食物，以及拿起筆記本電腦、瓶子、錘子和鉗子等物體和工具，甚至還可以安全地操縱軟綿綿的假體，例如與人握手、觸摸花朵和撫摸貓咪。
圖 | 在蒙眼和聲學(xué)屏蔽交互實(shí)驗(yàn)中，橈骨截肢、佩戴軟體神經(jīng)義肢的個(gè)體，恢復(fù)了原始的觸覺和閉環(huán)控制（來源：該論文）
另外，研究人員在一個(gè)特別令人興奮的測試中發(fā)現(xiàn)，被蒙住眼睛的一名志愿者可以分辨出哪根義肢的手指被戳了，也能 “感覺” 到放在義肢中的不同大小的瓶子，并舉起它們。
研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明，通過感覺反饋，截肢者可以恢復(fù)分級的觸覺和軟體神經(jīng)義肢的閉環(huán)控制。該設(shè)計(jì)目前已經(jīng)申請了專利，并在持續(xù)努力改進(jìn)其傳感和運(yùn)動范圍。
對于這一研究，趙選賀認(rèn)為，這一設(shè)計(jì)未來可以通過更好的解碼技術(shù)、更高密度的肌電陣列和更緊湊的泵來改進(jìn)，進(jìn)而戴在手腕上。他們也計(jì)劃為該設(shè)計(jì)進(jìn)行批量生產(chǎn)定制，這樣就可以將軟體機(jī)器人技術(shù)用來造福社會。
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0
https://news.mit.edu/2021/inflatable-robotic-hand-tactile-0816
https://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/guguoying.html
https://me.sjtu.edu.cn/en/FullTimeTeacher/zhuxiangyang.html
http://meche.mit.edu/people/faculty/ZHAOX@MIT.EDU
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