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“不妥协”的仿生手登上《科学─机器人》封面!外观极似人手,还能续航整天

2024-11-02 209


科幻片《艾莉塔:战斗天使》,26 世纪的女主角在垃圾场被发现并改造为机械身体,重生后战斗力惊人。

而 21 世纪的现实世界,遇到意外不得已截肢的患者装上义肢继续生活、工作的例子也常有。

近日有一款全新仿生手问世,仿照人手的关键特徴,使患者恢复 90% 以上手部功能,仿生手的复杂性、弹性和适应性都有新突破。

能使用剪刀和喷嘴。

也能准确完成拿取、放下动作。

登上《科学─机器人》封面

这支仿生手名为 Hannes,由意大利理工学院和意大利国家工伤保险研究所 INAIL 义肢中心的团队研发。

9 月 23 日,研究团队论文发表于《科学─机器人》(Science Robotics)期刊,题目为“The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand”(Hannes 手克隆人手的关键生物特徴)。值得一提的是,这篇论文也登上最新《科学─机器人》封面,看上去科技感十足。

论文介绍,要把义肢做到和人手能力相当、效率相当的地步,并非易事。

正如研究团队所说:

义肢仍然只是工具,无法替代患者失去的身体部分的生理功能。

一直以来,科学家设计义肢,主要参考的关键因素有这样几种:

  • 运动学、大小、重量和外观等“拟人”特征。
  • 速度、力量和弹性等效能。
  • 稳定、有协调性的抓握能力。

现实是,即便由患者残肢肌肉的电讯号控制、有好几个灵活自由度的最先进义肢,也无法和人手的复杂性、弹性和适应性相比。由于效能不佳,义肢废弃率居高不下。

研究团队希望打造更接近人手特征的装置──但某些科学团队曾主张,认为可权衡取舍上述关键因素,但意大利理工学院和意大利国家工伤保险研究所 INAIL 义肢中心研究团队的看法是:任何特徴都不该放弃,应遵循不妥协的整体设计。

以这种设计理念为指导,仿生手 Hannes 在研究人员、患者、整形外科医生和工业设计师的共同努力下问世──设计理念还获得意大利 Compasso d’Oro 国际工业设计奖。

高度“拟人化”的 Hannes

看看仿生手 Hannes 有哪些特别之处吧。Hannes 由三大主要互动套件组成:

  • 一个肌电多关节义肢,采用基于差动机构的欠驱动架构。
  • 被动屈伸(F / E)手腕模组。
  • 肌电界面/控制器,包括两个表面肌电(sEMG)感测器、电池组和控制电子元件。

参考下面酷酷的图示:A 部分展示直流电机和电机控制板内嵌于 Hannes,肌电界面/控制器位于插座内, F / E 手腕位于两者之间;B 部分是戴上手套的 Hannes。

且 Hannes 电力来源的电池组续航可长达一整天。不使用 Hannes 时,用户可用磁性插头连线器充电。控制器可向手传送随肌肉启动比例增加的速度参考,因此这套装置可针对不同患者调整控制参数,精准辅助每位患者的运动和力量控制。

Hannes 手掌和手指部分大小如下,研究团队将它和人手中位数资料(虚线)比较。

可看出 Hannes 高度“拟人化”──与人手最大的差异是中指,数值为 4.8%。

Hannes 除远端指间关节(DIP)外所有手指自由度都和人手类似;拇指表现不同的运动学特徴,例如指间关节(IP)和 MCP 关节锁定、向外展开受驱动、旋转被动。

如下图 A 所示,患者可透过适当调节肌电 EMG 活动来调节力度增加与减小,当施加强烈的 EMG 启动时,Hannes 可在 0.25 秒内迅速闭合,力量最大为 150N。B 图表明,Hannes 完全闭合不到 1 秒。

为进一步评估 Hannes 的有效性、可用性,有 3 位患者参与为期约 2 周的测试,1 号和 2 号参与者透过 Hannes 辅助有较好表现,执行工作所需时间分别减少约 10% 和 30%。也就是说,Hannes 有达到日常生活活动(ADLs)的要求。

从实验室步入市场

研究团队表示,过去十年科学家一直尝试设计功能和物理特徴接近人手的义肢。3D 扫描对侧肢体和“累积制造技术”(additive manufacturing techniques)都是较新颖的设计。

在研究团队看来,众多装置中,最成功的落地产品分别是:

美国、德国科学家联合设计的“米开朗基罗之手”,2013 年开始有患者安装。

成立于 1919 年的德国义肢巨头 Ottobock 设计的装置。

英国公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手,也是世界第一支商业化仿生手。

说回 Hannes,目前已获 CE 标志,也将进入医疗市场。研究团队正在找寻投资人,希望能量产造福更多患者。

虽然和实验室或市面义肢比起来,Hannes 效能有不小提升,但做动作的速度仍比人手慢,仿生手仍有很大的提升空间。

  • The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand

(本文由 雷锋网 授权转载;首图来源:INAIL)

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