現實版 T-bag 機械手來了。義大利技術研究院創造類似人手的手部假肢，相關研究登上了最新一期 Science Robotics 封面。
還記得美劇《越獄》裡的著名角色 T-bag 嗎？在第二季裡他被人砍了手，從此實力大減。在回歸的第五季，有人為了讓他能夠更好地執行任務，幫他裝了一個全功能的機械手。
我們已經見證過越來越多科幻電影裡的內容成真，而這一次我們只等了三年。在昨天剛剛刊發的 Science 子刊《Science Robotics》上，具有和人手同等能力的機械手登上了封面。
該研究創造出來的機械手「Hannes」與人手極為相似，能夠執行許多日常動作，比如擦桌子：
它還具備很強的適應性，可以抓握住遞給它的任何物體，甚至刁鑽的角度也難不倒它。比如把易拉罐的底部遞到這隻「手」上，它依然可以輕鬆握住瓶底，並在對方試圖拿走時鬆開手：
能夠實現類似人手的功能並非易事，現在我們就來了解它的原理和構造。用具有同等能力和效果的人工裝置替代人手是一項長期挑戰。即使是具備多自由度的最先進手部假肢，也無法達到人手的複雜性、靈活性和適應性。因此，假肢被用戶放棄的比率很高。最近，義大利技術研究院創造了一種叫做「Hannes」的手部假肢，它融合了關鍵的仿生特性，因而與人類的手極為相似。通過整體設計方法以及研究人員、患者、整形外科醫師和工業設計師的共同開發工作，「Hannes」可同時實現精準擬人、仿生性能以及類似人的抓握行為，性能超過日常生活活動（ADL）所需。為了評估 Hannes 的有效性和可用性，研究人員在截肢患者身上進行了試驗。在為期大約 2 周的試驗前後分別進行了測試和問卷調查，結果表明截肢患者可以自主使用 Hannes 在家中進行日常生活操作。研究者還通過實驗驗證了 Hannes 的高性能和類似人類的抓取行為。儘管 Hannes 的速度仍然低於人手，但實驗表明，與現有的研究或商用設備相比，Hannes 的性能有所提升。Hannes 主要由三個相互作用的物理部件組成：肌電多關節假肢手，由差動欠驅動裝置實現；被動屈伸（F/E）腕關節模塊；肌電接口 / 控制器，包括兩個表面肌電圖 (sEMG) 傳感器、電池組和控制電路。如圖 1A 所示：
圖 1：Hannes 系統概覽。A，Hannes 架構；B，未被手套覆蓋的 Hannes 外觀；C-G，Hannes 執行日常生活動作。
這三個組件旨在實現擬人化、仿生性能和類人抓取，而這三個特性在以往的研究中被證明是決定假肢整體效果的關鍵。這些特性已通過整體仿生設計方法得到實現，參見下圖 2：
圖 3A 顯示了 Hannes 的高度擬人化：中指中近端直徑的最大差異為 4.8%，與參考手模型極為相似。關於運動學，圖 3B 表明除遠端指間（DIP）關節外的所有手指自由度均已實現，為了實現在功能和複雜性之間的權衡，DIP 關節被省略並設置為固定角度。拇指的運動學情況有所不同，指間關節（IP）和掌指關節（MCP）被鎖定。
為了進行全面的比較，圖 3C 展示了 Hannes 自由度與人手和 Michelangelo 假肢相比的角度偏移（Michelangelo 假肢與其他現有假肢相比擬人化程度更高，被用作黃金標準）。除了鎖定 DIP 關節外，Hannes 的關節活動度（ROM）大體上接近人手，並且比 Michelangelo 假肢的 ROM 更具仿生性。Hannes 另一個重要的組成部分是手近端的被動屈伸腕關節。該模塊基於相互作用力自然地進行腕部屈伸，並且能夠實現抓握的魯棒性和對任務的適應性。
關於控制和接口，出於可靠性、魯棒性和實用性的考慮，研究者決定採用直接 EMG 控制，將上述屬性的實現留給高級硬體設計來解決。兩個 sEMG 傳感器用於檢測截肢患者的殘肢肌肉活動情況，即前臂屈肌和伸肌的肌肉收縮，它們分別用於關閉和打開設備並對設備進行控制。這兩個 sEMG 傳感器被放置在插槽內，並通過嵌入在「EMG 處理板」（EMG processing board）中的調節控制模塊與 Hannes 手連接，它可以返回控制信號，並將其發送至「電機控制板」（motor control board）模塊。
Hannes 系統由一個電池組進行供電，續航時間為 1 天。在不使用系統時，使用磁性插頭可以為電池充電。該系統使用的控制器中存在一種比例關係，即它向 Hannes 手發送速度參考值，速度參考值會隨著肌肉的活力成比例增加。該系統能夠針對每個使用者調整控制參數，以精細控制每個患者所用設備的動作和力量。實驗評估的結果表明：Hannes 能夠滿足前面提到的要求。擬人程度主要和設計相關，於是該研究通過實驗評估了另外兩個特性：仿生性能和類人抓握行為。
上圖顯示，掌指關節（MCP）的速度峰值可達 4 rad/s (229°/s)，而近端指間關節（PIP）的速度峰值約為該值的一半。Hannes 能夠在不到 1 秒的時間內實現完全閉合。為了確定 Hannes 與人手協同運動行為的相似程度，該研究進行了運動學分析。圖 5 (C) 和 (D) 分別展示了在握住圖 5 (A) 和圖 5 (B) 中的物體時，Hannes 和人手關節角度的 Pearson 相關性。
此外，該研究還在截肢患者身上進行了臨床試驗，並在試驗前後分別做了測試和問卷調查。下圖總結了測試和問卷調查分數的變化情況。
參考連結：https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb0467
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