「不妥協」的仿生手登上《科學-機器人》封面！外觀高度類似人手，續航一整天

2020-09-28 雷鋒網

科幻動作片《阿麗塔：戰鬥天使》中，26 世紀的女主在垃圾場被發現並改造為機械身體，重獲新生後戰鬥力驚人。

而在 21 世紀的現實世界，遭遇意外不得已截肢的患者安裝假肢繼續生活、工作的例子也的確存在。

近日，有這樣一款全新的仿生手問世，它仿照了人手的關鍵特性，可使患者恢復 90% 以上功能，仿生手在複雜性、靈活性和適應性方面有了新突破。

可以使用剪刀和噴壺。

也能準確完成抓取-放置任務。

登上《科學-機器人》封面

這種仿生手被稱為 Hannes，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研製。

2020 年 9 月 23 日，研究團隊的論文發表於《科學-機器人》（Science Robotics），題為 The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand（Hannes 手複製了人手的關鍵生物特性）。

值得一提的是，這篇論文也登上了最新一期《科學-機器人》雜誌封面，看上去科技感十足。

論文介紹，要想把一款假肢做到和人手能力一致、效率相當的地步，並非易事。

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。

一直以來，科學家們設計假肢裝置，主要參考的關鍵因素有這樣幾種：

  • 包括運動學、尺寸、重量和外觀在內的「擬人」特徵；

  • 速度、力量和靈活性等性能；

  • 穩定、有協調性的的抓握能力。

而現實是，即便是由患者殘肢肌肉的電信號控制的、具有好幾個靈活自由度的最為先進的假肢，也無法達到人手的複雜性、靈活性和適應性。由於性能不佳，假肢廢棄率居高不下。

因此，研究團隊希望打造一款出更趨近於人手特徵的設備——實際上一些科學團隊曾提出主張，認為可以在上述關鍵因素中做取捨、進行權衡，但義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所 INAIL 假肢中心的研究團隊的看法是：任何特性都不該忽略，應該遵循一種不妥協的整體設計方法。

以這種設計理念為指導，仿生手 Hannes 在科研人員、患者、整形外科醫生和工業設計師的共同努力下問世——其設計理念還被授予了義大利 Compasso d'Oro 國際工業設計獎。

高度「擬人化」的 Hannes

來具體看看仿生手 Hannes 有哪些特別之處。

Hannes 由三大主要的交互組件組成：

  1. 一個肌電多關節假肢，採用了基於差動機構的欠驅動結構；

  2. 被動屈伸（F/E）手腕模塊；

  3. 肌電接口/控制器，包括兩個表面肌電（sEMG）傳感器、電池組和控制電子元件。

可以參考下面這張酷酷的圖示——A 部分展示的是，直流電機和電機控制板內嵌於 Hannes 中，而肌電接口/控制器則位於插座內，而 F / E 手腕位於二者之間；B 部分是帶上手套的 Hannes 。

這裡值得一提的是，用於 Hannes 供電的電池組續航長達一整天。當不使用 Hannes 時，用戶可以利用磁性插頭連接器為電池充電。控制器可以向手發送隨肌肉激活比例增加的速度參考，因此這套設備可以針對不同患者調整控制參數，實現對每位患者精確的運動和力量輔助。

Hannes 手掌和手指部分的尺寸如下，研究團隊拿它和人手中位數數據（虛線水平）進行了比較。

可以看出，Hannes 顯示出了極高的「擬人化」——與人手最大的差異體現在中指，差值為 4.8%。

Hannes 除遠端指間關節（DIP）之外的所有手指自由度都被實現；拇指表現出了不同的運動學特性，例如指間關節（IP）和 MCP 關節是鎖定的、向外展開是受驅動的、旋轉是被動的。

如下圖 A 所示，患者可通過適當調節肌電 EMG 活動來調節力的增加與減小，當施加強烈的 EMG 激活時，Hannes 可在 0.25 秒內迅速閉合，力量最大為 150 N。B 圖表明，Hannes 可在不到 1 秒的時間內完成完全閉合。

為進一步評估 Hannes 的有效性、可用性，三位患者參與了為期大約 2 周的試驗，其中＃1 和＃2 參與者通過 Hannes 的輔助，有較好的表現，執行任務所需時間分別減少了約 10％ 和 30％。也就是說，Hannes 已經達到了完成日常生活活動（ADLs）的要求。

從實驗室步入市場

研究團隊表示，過去十年中，科學家們一直試圖設計功能和物理特性接近人手的假肢設備。其中，3D 掃描對側肢體和「累積製造技術」（additive manufacturing techniques）都是一些較為新穎的設計方法。

在研究團隊看來，在眾多設備中，最為成功的落地產品分別是：

美國、德國科學家聯合設計的「米開朗基羅之手」，2013 年開始有患者安裝這種設備。

成立於 1919 年的德國假肢巨頭 Ottobock 設計的設備。

一家英國公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手，也是世界第一個商業化仿生手。

說回仿生手 Hannes，目前它已獲 CE 標誌，也將進入醫療市場。研究團隊正在尋找投資人，希望開始量產這種仿生手，造福更多患者。

但需要明確的是，雖然和實驗室或市面上的一些假肢比起來，Hannes 的性能有不小的提升，但無疑它做出動作的速度仍然低於人手，仿生手仍有很大的提升空間。

引用來源：

https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb0467

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