硬核機械手!失去手指的機械工程師獨立打造
2020-12-05 電子工程專輯魚羊 蕭簫 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI
這隻硬核機械手火了。
能穩穩抓握，也能伸張自如：
是不是有點金剛狼內味了？
更令網友們驚嘆的是，這樣一隻機械手，是一位失去左手四指的機械工程師Ian Davis獨立打造的。
這不禁讓網友在直呼賽博朋克之餘，想起了《鋼之鍊金術師》中的主角愛德華·艾爾利克——原作中為救自己的弟弟失去右臂，後女主替他製作機械假肢。
△ 愛德華·艾爾利克
事實上，Ian Davis製作機械臂的初衷，多少與愛德華的經歷有點相似，這個機械臂，是他為自己失去四根手指的左手製作的假肢。
作為一名機械工程師，自失去手指後，他開始自行研發各種更易於操控的機械臂。
下圖是Ian Davis製作的、舊版機械臂的抓握效果，非常驚人。
△ Ian Davis此前製作的一款機械臂，可以抓扁可樂罐
看起來如此酷炫的機械手，究竟是如何代替正常手指運轉操控的呢？
一隻手，從零打造硬核機械手
這隻硬核機械手，是純機械結構。
機械手指靠連杆和鋼索帶動。從演示視頻中可以看出，目前能夠實現的抓握和張開手指的操作，是依靠手掌和手腕的動作來實現的。
手腕內扣，手指收攏；反之，手指張開。
手腕橫向運動，裝有萬向節的機械手指就能夠伸展開。
另外，手指的狀態是可以鎖定的。在結構上，Davis採用了帶有離合器軸承的鏈輪鎖定裝置。
可以看到，拉動鏈條，由於離合器承軸位於鏈輪內側，手指就會被固定住。
整個機械手的控制，由Arduino來驅動，Davis還設置了專門的圖形操作界面。
不錯，系統可以連接wifi，並配備有藍牙模塊，這樣就可以接入各種手工工具，比如磨床等。
而在設置模塊中，無需連接電腦，使用者就可以對各種閾值進行調整。
如果某一天出汗較多，就可以調高電導率的閾值，使汗液不影響對機械臂的控制。
並且，這套設備中也配備了陀螺儀，因此調節以上設置的操作都可以通過手腕的動作來實現。
不過，Davis的機械手目前仍有許多需要改進的地方。比如四個手指只能同放同收，並不能單獨活動。
因此，Davis在接下來的幾周內，計劃在機械手指關節處加裝電子裝置，控制離合器軸承的接合和脫離，這樣他就可以單獨鎖定和解鎖單根手指。
而所有的工作，都是在Davis失去左手四指之後，靠著僅有的完整右手一步一步從零打磨完成的。
網友感嘆，無法想像這個機械臂製作的背後要花費多少時間和精力。
想像一下，這麼酷炫的作品背後要花多少時間和精力，而且，機械臂發出的聲音實在令人滿意。
更多網友送上了自己的祝福：
這太酷了。我想說的是，我對於你失去的手指感到難過，但你真的做出了一個非常酷的手！
「如果設計能被延續」
在這般精密專業的機械臂背後，Ian Davis本人的生活並沒有想像中耀眼。
命運總是開過分的玩笑。
兩年前，Ian Davis得知自己患有多發性骨髓瘤，一種由漿細胞引起的癌症，這種病症會導致骨痛、骨質破壞與貧血，嚴重可致腎功能衰竭與癱瘓。
而就在不久後，一次工作事故致使他左手骨折。
醫生給出的答覆是，只能截指，否則難保生命。
但這對於一個機械工程師而言，無異於致命打擊。
與此同時，保險公司也不留情面，他們告訴Ian Davis，除非連手掌都在事故中被截肢，否則不予支付安裝假肢的費用。
掙扎了一段時間後，Ian Davis決心給自己做假肢，用他僅有的一隻右手。
在製造出這次更精密的機械手臂之前，他也曾嘗試過不同材料結構的機械臂，下圖中左側的機械臂就是他之前用舊的機械臂，這些機械臂的架構無一例外都很逼真。
△ 新舊機械臂對比
這次的機械臂是他在前幾任機械臂的基礎上進行改進的結果，不僅手指張開的效果有了非常大的提升，而且抓握的靈敏度更好。
自事故以來，Ian Davis坦言自己的世界正在變得越來越小：「大部分時間裡，我都是在辦公室修改和製造新的機械臂原型。」
曾有網友表示，這樣的設計沒能流行起來真是一種遺憾。
但目前來看，Ian Davis已經開始尋求更進一步的應用，希望能與一些高校的生物醫學工程系進行合作，為其他截肢者提供一點幫助。
他認為，自己依舊是幸運者。
相比於他來說，還有更多經歷與他相似的、在各種事故中失去手指和手臂的截肢者，這些人卻無法像他一樣，能為自己做機械臂。
「我覺得，最美好的事情，是我看見自己的設計能在身邊的人身上得到延續。」
機械假肢相關研究
其實，用機械來彌補四肢殘缺帶來的不便，一直以來都是相關領域研究人員的願景。
此前，一項來自英國帝國理工學院的研究表明，通過新型傳感器和機器學習技術，機械假肢能夠探測到使用者的脊髓運動神經元發出的電信號，用「意念」控制假肢。
這樣一來，患者就可以通過假肢實現更精細、更複雜的操作。
不過，使用這套系統需要先進行外科手術，將與手和手臂運動有關的部分周圍神經系統，重新導向健康的肌肉。
這項研究發表在了《自然·生物醫學工程》上。
中科院深圳先進技術研究院，同樣開展了此類研究。
研究員李光林及其團隊研發的多功能仿生假肢，能通過肌電信號（EMG）解碼識別出人的運動意圖，使「意念」控制假肢運動成為可能。
並且，相比於同類型假肢20-25萬元人民幣的售價，這款採用3D列印技術的假肢預計售價在3-5萬元人民幣。
如果這樣的前沿研究能夠順利完成臨床試驗，並推向市場，對於殘障人士而言，無疑將給生活帶來新的可能。
參考連結：
https://nerdist.com/article/intricate-mechanical-hand-prosthetic-is-cyberpunk-af/
https://gizmodo.com/amputee-builds-a-set-of-incredibly-articulate-prostheti-1844281443
https://www.youtube.com/channel/UCv1xxFkEiAdCVy6foEEUIvw
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