可恢復90%手部功能！義大利仿生手登Science子刊封面

在近期刊發的 Science 子刊 Science Robotics 上，仿生手 「漢尼斯（Hannes）」 的相關論文登上封面，研究由來自義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所 INAIL 假肢中心的科學家團隊完成，其中還有截肢患者、整形外科醫師和工業設計師等共同參與。

圖 | 漢尼斯仿生手

該論文的題目為《漢尼斯假肢可複製人手的關鍵生物學特性》（The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand），為致敬 20 世紀 60 年代上肢假肢的開拓者 Johannes Hannes Schmidl 教授，研究團隊將其命名為漢尼斯。

漢尼斯手具有仿生特性，與人手非常相似，可覆蓋手部和腕部，能實現精確的類似人手的抓握行為，還可恢復上肢截肢患者恢復 90％以上的功能。

圖 | 用漢尼斯幹活、用剪刀、拿電鑽

戴上它，可以拿起鋼球。

還能抓握住圓柱形物體，如傘柄等。

除主動握持以外，它還能遞送物體，當把易拉罐的底部遞給漢尼斯，它可以輕鬆握住瓶底，並在對方試圖拿走時鬆開手。

具體來說，它主要由三塊物理部件組成：

1、一個擬人的肌電多關節假手，採用基於差動機構的欠驅動結構（欠驅動結構是輸入量少於控制量的典型系統）；

2、被動屈伸手腕模塊；

3、肌電接口 / 控制器，包括兩個表面肌電傳感器、電池組和控制電子元件。

三塊組成部分互相作用，如下圖所示，A 部分是嵌於漢尼斯中的直流電機和電機控制板，插座裡是肌電接口 / 控制器，B 部分是帶上手套的漢尼斯。

圖 | 漢尼斯手的內部架構、外形和可以執行的動作

下圖 A 是它的 3D 視圖，右邊是傳動機構的橫截面，紅色的是引導線，綠色的是食指和中指的動線，黃色則是無名指和小指的從動線。

圖 | 漢尼斯的 3D 視圖

它的的工作原理是，放置在定製插座中的表面肌電傳感器，可監測到手臂下部或較高部位的殘留肢體肌肉的活動，用戶可主動收縮這些肌肉以完成多種動作。此外，通過專門開發的軟體和藍牙連接，使用時可以定製手部的操作參數，如動作精度和速度等，從而讓用戶找到最適合的體驗。

可與人手相媲美的高度擬人化

漢尼斯智能的機械設計，在目前該領域內較為少見。這種設計可讓假肢做出自然手的動作，由於其底層機構是一個機械差動系統，只需使用一個電機就能適應被抓取的物體。

下圖是它的機電構造採用機械設計，其中 B 圖展示的是食指運動機械設計，C 圖則是拇指運動機械設計。

圖 | 漢尼斯的機電構造圖

尺寸和成年人手掌平均大小相當，且有分別適用於 「左撇子」 和 「右撇子」 的款式，男女皆可使用，重量為 450 克左右。

圖 | 漢尼斯和人手的協同對比

即使在靜止狀態下，漢尼斯的手指也能自然彎曲和定位，特別是拇指能在三個位置上，進行各種不同的抓握方式，如用於拾取小物件的精細抓握，用於抓取薄物的橫向抓握，以及抓取重物類的動力抓握。

整體抓握效率較高，手腕還可實現內旋和後仰，類似於擰鑰匙的轉動運動，此外還能實現不同方向上抓握。

它和人手的最大差異主要在中指，差值為 4.8%。如下圖所示，除遠端指間關節外，漢尼斯的所有手指自由度均已實現。不過，為實現功能性和複雜性的權衡，它省略了遠側指間關節，並用固定角度代而取之；它的拇指和人類拇指也不一樣，指間關節和掌指關節是鎖定的。

圖 | 漢尼斯和人手的對比

由於抓取不同物品使用的力氣不同，用戶可通過調節肌電活動來實現力量的增減。具體調節時，漢尼斯的內部控制器可向手部發送隨肌肉激活比例增加的速度參考，並能針對不同患者來調整控制參數，從而給不同患者帶來精確力量輔助。

下面兩張圖展示了上述過程，圖 A 為通過直接肌電控制，來控制力氣調節。其中，紅線表示開啟肌電傳感器活動，藍線表示關閉肌電傳感器活動。紅色和藍色虛線分別表示打開和關閉肌電傳感器時，傳感器活動的激活閾值。

圖 | 漢尼斯的閉合程度

為確定漢尼斯與人手協同運動行為的相似程度，研究人員進行了運動學分析。分析後發現，漢尼斯在抓取不同對象時，其靜態和動態的運動學行為，均和人手相似。在握持飲料、鉛筆、水杯等物體時，它和人手關節角度表現出較強的相關性。

除了遠側指間關節被鎖定外，漢尼斯的關節活動度大體上接近人手，並且比此前其他團隊研發的米開朗基羅智能假肢手更具仿生性。

圖 | 漢尼斯的人體測量

為評估漢尼斯有效性和可用性，三位患者參與了為期大約 2 周的試驗，其中 1 號和 2 號參與者在它的輔助下，呈現出較好的表現，佩戴後他們執行任務所需時間分別減少約 10％ 和 30％。

圖 | 三位測試用戶

測試結果還顯示，漢尼斯能在 1 秒內實現完整的抓取動作，最高可釋放 150 牛頓的力，並能幫助截肢者實現 90% 的手部功能。所以漢尼斯已經達到完成日常生活活動的要求。

其動力來源主要為電源，它的電池容量為 1300mAh，充滿電可以使用一天，使用磁性插頭就能給電池充電。

不過總體來看，漢尼斯的反應速度依然低於人手所能達到水平，正如研究團隊所說：「假肢仍然只是一種工具，無法代替患者失去的那一部分所提供的生理功能。」

已獲 CE 標誌，未來將進入醫療市場

在《攻殼機動隊》等科幻作品中，「義體」指的是取代原本殘破肉體的機械義肢。在現實世界，遭遇意外不得已截肢的患者，為繼續生活和工作而安裝假肢的案例非常多。

雖然目前的技術遠達不到讓人全身義體化、且能保持功能的地步，但越來越多科幻電影裡的內容成真，通過腦機接口等技術、來實現對機器肢體的操縱也有了不少突破。

不過，用人工裝置取代人手仍然是一項長期挑戰，即使是最先進的手部假體，也不能達到媲美人手的複雜性、靈巧性和適應性，因此假肢的放棄率仍然很高。

此前，馬斯克的 Neuralink 希望將極小的電級植入大腦，利用電流讓電腦和腦細胞 「互動」。而漢尼斯系統則採用的無創的非侵入式的技術，不需要植入晶片，通過佩戴設備，系統就可以收集、處理人體肌電信號。相比於植入晶片來講，用戶對這種無創方式的接受程度會更高。

目前，漢尼斯已獲 CE 標誌（一個 30 個歐洲國家強制性地要求產品必須攜帶的安全標誌），研究團隊正在尋找投資，以期量產漢尼斯仿生手。

2016 年 10 月，國務院在《關於加快發展康復輔助器具產業的若干意見》明確提出：「支持人工智慧、腦機接口、虛擬實境等新技術在康復輔助器具產品中的集成應用，支持外骨骼機器人、照護和康復機器人、仿生假肢、虛擬實境康復訓練設備等產品研發。」

另據第六次全國人口普查及第二次全國殘疾人抽樣調查，僅 2010 年末中國殘疾人已達 8502 萬人，其中 5000 多萬人有康復需求，60% 以上需要輔助器具。可以說，為截肢者提供反饋自然的假肢，是康復事業發展的迫切要求。如果漢尼斯這類仿生手可以批量生產，必將有更多用戶受益。