上海交大、MIT团队联合研发新型智能假手，仅约292克

文丨学术头条，作者丨XT，编审丨寇建超

据统计，全球有超过 500 万人正经受着失去上肢的痛苦，上肢截肢给患者的生活带来了灾难性的伤害。

尽管人工义肢已取得了长足的进步，不仅可以帮助截肢患者恢复肢体功能，还可以极大地调整他们的心理状态，但大多数人使用的义肢仍以美容装置或功能性钩状抓手为主。

如今，除了传统的类人体模型附属物外，越来越多的商业神经义肢走入市场，高度铰接的仿生肢体可感知使用者的残余肌肉信号，并以机器人方式模仿佩戴者的预期动作。

但获得这种灵巧性是有代价的，神经义肢可能要花费数万美元，而且需要围绕金属骨架建造，配备的电机也可能又重又硬。 

近日，来自上海交通大学、麻省理工学院的科学家们设计出了一款柔软、轻巧且可能实现低成本制作的神经义肢。他们通过让截肢患者进行一些日常活动（比如撸猫、拉行李箱的拉链、倒一箱果汁）来测试这种义肢的性能。在某些情况下，这种义肢表现出的性能优于那些相对坚硬的神经义肢。

相关研究以 “A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback” 为题，发表在 Nature Biomedical Engineering 上，上海交通大学机械与动力工程学院谷国迎教授、朱向阳教授，以及麻省理工学院机械工程系赵选贺教授为该论文的共同一作和共同通讯作者，另一位一作为上海交通大学博士生  Ningbin Zhang。

（来源：Nature Biomedical Engineering）

这种义肢既柔软又富有弹性，重约 292 克，成本总额约为 500 美元，无论是重量还是价格，都低于刚性智能义肢。研究人员发现，这种设计有触觉反馈系统的义肢还恢复了志愿者残肢的一些原始感觉。而且，这种义肢也出乎意料的耐用，在被锤子敲击或被汽车碾压后能迅速恢复。

对此，赵选贺表示，“这还不是一个产品，但其性能已经类似或优于现有的神经义肢，我们对此感到兴奋。对于低收入家庭的截肢患者来说，这种软义肢的成本非常低，具有巨大的应用潜力。”

在未来的研究中，通过对手指使用更硬的弹性体和施加更高的气动压力，可以潜在地增加柔软手指的抓取力，采用先进的肌电解码算法和感觉反馈方法，也能优化系统性能。这种柔软、重量轻、低成本的神经义肢必将推动个性化神经义肢手的发展。

“硬核” 的柔软义肢

这种义肢柔韧的新设计源于柔软、有弹性的商用材料 EcoFlex，与动画电影《超能陆战队》（Big Hero 6）中的充气机器人大白（Baymax）有着惊人的相似之处。

这个柔软的神经义肢手由 5 个柔软的手指和 1 个可以提供 6 个活动自由度的手掌（通过 3D 打印而成）组成，每个手指都嵌入了 2-3 个具有特定长度的刚性纤维段，用于模仿人类手掌的拇指或其他手指的关节骨。

图 | 机器人大白

在此次研究中，与大多数神经义肢使用电动机控制的方法不同，研究人员使用了一个简单的气动系统来精确地给手指充气，并将它们弯曲到特定的位置，气动柔性手指的设计具有成本低、重量轻和可扩展制造的优点，可以穿在腰间，大大减轻了义肢的重量。

而且，研究人员还通过一个计算机模型，将手指的理想位置与泵必须施加的相应压力相关联，以精确达到某些位置。利用这个模型，该团队开发了一个控制器，该控制器可以指导气动系统在模拟 5 种常见抓握的位置上给手指充气，包括将 2 个和 3 个手指捏在一起，握成一个球状的拳头，以及握住手掌。

图 | 软神经义肢的设计与操作（来源：该论文）

此外，研究人员还通过整合手部的肌电传感器、触摸传感器和电刺激器，为软体神经义肢开发了一个双向的人机界面，系统接收来自肌电传感器的信号，肌电传感器测量运动神经元产生的电信号以控制肌肉。这些传感器安装在义肢的开口处，可以从残余肢体接收信号，比如当截肢者想要握拳时发出的神经信号。

研究人员使用现有算法 “解码” 肌肉信号，并将它们与常见的抓握类型相关联，使用这种算法为他们的气动系统控制器编程。例如，当截肢者想象自己拿着酒杯时，传感器会采集残余的肌肉信号，然后控制器将其转换为相应的压力，来使每个手指膨胀并产生截肢者的预期抓握。

图 | 软神经义肢手的性能表征（来源：该论文）

未来，研究人员希望能够更进一步实现触觉反馈，这是目前大多数商业神经义肢中没有包含的功能。

为此，他们在义肢的每个指尖上缝上了一个压力传感器，当触摸或挤压该传感器时，会产生与感受到的压力成正比的电信号。每个传感器都连接到截肢者残肢上的特定位置，因此当义肢的拇指被按压时，用户就可以 “感觉到”。

吃喝拉，都可以

为了测试这种义肢的性能，研究人员招募了两名上肢截肢志愿者。经过简单的培训，志愿者们很快就学会了如何通过反复收缩手臂肌肉、同时想象 5 个常见抓握动作来使用这种义肢。

完成 15 分钟的培训后，志愿者被要求进行一系列标准化测试，以展示手动力量和灵活性。这些任务包括叠棋子、翻页、用钢笔书写、举起重球以及捡起草莓和面包等易碎物品。

图 | 志愿者的日常活动测试（来源：该论文）

同时，研究人员也使用一只更坚硬的已在市场售卖的仿生手重复了同样的测试，发现他们的义肢在大多数任务中与坚硬的同类产品一样好，甚至更好。而且，在整个测试过程中，受试者都感觉柔软的神经义肢手比坚硬的神经义肢手要轻得多。

其中，一名志愿者还能灵活地使用柔软的义肢进行日常活动，例如吃饼干、蛋糕和苹果等食物，以及拿起笔记本电脑、瓶子、锤子和钳子等物体和工具，甚至还可以安全地操纵软绵绵的假体，例如与人握手、触摸花朵和抚摸猫咪。

图 | 在蒙眼和声学屏蔽交互实验中，桡骨截肢、佩戴软体神经义肢的个体，恢复了原始的触觉和闭环控制（来源：该论文）

另外，研究人员在一个特别令人兴奋的测试中发现，被蒙住眼睛的一名志愿者可以分辨出哪根义肢的手指被戳了，也能 “感觉” 到放在义肢中的不同大小的瓶子，并举起它们。

研究人员通过实验证明，通过感觉反馈，截肢者可以恢复分级的触觉和软体神经义肢的闭环控制。该设计目前已经申请了专利，并在持续努力改进其传感和运动范围。

对于这一研究，赵选贺认为，这一设计未来可以通过更好的解码技术、更高密度的肌电阵列和更紧凑的泵来改进，进而戴在手腕上。他们也计划为该设计进行批量生产定制，这样就可以将软体机器人技术用来造福社会。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0

https://news.mit.edu/2021/inflatable-robotic-hand-tactile-0816

https://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/guguoying.html

https://me.sjtu.edu.cn/en/FullTimeTeacher/zhuxiangyang.html

http://meche.mit.edu/people/faculty/ZHAOX@MIT.EDU

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