“吃喝拉”都可以！上海交大、MIT團隊聯合研發新型智能假手，僅約292克
大數據文摘授權轉載自學術頭條
作者：XT
編審：寇建超
據統計，全球有超過 500 萬人正經受著失去上肢的痛苦，上肢截肢給患者的生活帶來了災難性的傷害。
盡管人工義肢已取得了長足的進步，不僅可以幫助截肢患者恢復肢體功能，還可以極大地調整他們的心理狀態，但大多數人使用的義肢仍以美容裝置或功能性鉤狀抓手為主。
如今，除了傳統的類人體模型附屬物外，越來越多的商業神經義肢走入市場，高度鉸接的仿生肢體可感知使用者的殘余肌肉信號，并以機器人方式模仿佩戴者的預期動作。
但獲得這種靈巧性是有代價的，神經義肢可能要花費數萬美元，而且需要圍繞金屬骨架建造，配備的電機也可能又重又硬。
近日，來自上海交通大學、麻省理工學院的科學家們設計出了一款柔軟、輕巧且可能實現低成本制作的神經義肢。他們通過讓截肢患者進行一些日常活動（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，這種義肢表現出的性能優于那些相對堅硬的神經義肢。
視頻｜軟體神經義肢（來源：YouTube）
相關研究以 “A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback” 為題，發表在 Nature Biomedical Engineering 上，上海交通大學機械與動力工程學院谷國迎教授、朱向陽教授，以及麻省理工學院機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，無論是重量還是價格，都低于剛性智能義肢。研究人員發現，這種設計有觸覺反饋系統的義肢還恢復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。
對此，趙選賀表示，“這還不是一個產品，但其性能已經類似或優于現有的神經義肢，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，采用先進的肌電解碼算法和感覺反饋方法，也能優化系統性能。這種柔軟、重量輕、低成本的神經義肢必將推動個性化神經義肢手的發展。
“硬核” 的柔軟義肢
這種義肢柔韌的新設計源于柔軟、有彈性的商用材料 EcoFlex，與動畫電影《超能陸戰隊》（Big Hero 6）中的充氣機器人大白（Baymax）有著驚人的相似之處。
這個柔軟的神經義肢手由 5 個柔軟的手指和 1 個可以提供 6 個活動自由度的手掌（通過 3D 打印而成）組成，每個手指都嵌入了 2-3 個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節骨。
圖｜機器人大白
在此次研究中，與大多數神經義肢使用電動機控制的方法不同，_研究人員使用了一個簡單的氣動系統來精確地給手指充氣，并將它們彎曲到特定的位置_，氣動柔性手指的設計具有成本低、重量輕和可擴展制造的優點，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計算機模型，將手指的理想位置與泵必須施加的相應壓力相關聯，以精確達到某些位置。利用這個模型，該團隊開發了一個控制器，該控制器可以指導氣動系統在模擬 5 種常見抓握的位置上給手指充氣，包括將 2 個和 3 個手指捏在一起，握成一個球狀的拳頭，以及握住手掌。
圖｜軟神經義肢的設計與操作（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，為軟體神經義肢開發了一個雙向的人機界面，系統接收來自肌電傳感器的信號，肌電傳感器測量運動神經元產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，比如當截肢者想要握拳時發出的神經信號。
研究人員使用現有算法 “解碼” 肌肉信號，并將它們與常見的抓握類型相關聯，使用這種算法為他們的氣動系統控制器編程。例如，當截肢者想象自己拿著酒杯時，傳感器會采集殘余的肌肉信號，然后控制器將其轉換為相應的壓力，來使每個手指膨脹并產生截肢者的預期抓握。
圖 | 軟神經義肢手的性能表征（來源：該論文）
未來，研究人員希望能夠更進一步實現觸覺反饋，這是目前大多數商業神經義肢中沒有包含的功能。
為此，他們在義肢的每個指尖上縫上了一個壓力傳感器，當觸摸或擠壓該傳感器時，會產生與感受到的壓力成正比的電信號。每個傳感器都連接到截肢者殘肢上的特定位置，因此當義肢的拇指被按壓時，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。經過簡單的培訓，志愿者們很快就學會了如何通過反復收縮手臂肌肉、同時想象 5 個常見抓握動作來使用這種義肢。
完成 15 分鐘的培訓后，志愿者被要求進行一系列標準化測試，以展示手動力量和靈活性。這些任務包括疊棋子、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，研究人員也使用一只更堅硬的已在市場售賣的仿生手重復了同樣的測試，發現他們的義肢在大多數任務中與堅硬的同類產品一樣好，甚至更好。而且，在整個測試過程中，受試者都感覺柔軟的神經義肢手比堅硬的神經義肢手要輕得多。
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 | 在蒙眼和聲學屏蔽交互實驗中，橈骨截肢、佩戴軟體神經義肢的個體，恢復了原始的觸覺和閉環控制（來源：該論文）
另外，研究人員在一個特別令人興奮的測試中發現，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。
研究人員通過實驗證明，通過感覺反饋，截肢者可以恢復分級的觸覺和軟體神經義肢的閉環控制。該設計目前已經申請了專利，并在持續努力改進其傳感和運動范圍。
對于這一研究，趙選賀認為，這一設計未來可以通過更好的解碼技術、更高密度的肌電陣列和更緊湊的泵來改進，進而戴在手腕上。他們也計劃為該設計進行批量生產定制，這樣就可以將軟體機器人技術用來造福社會。
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