上海交大谷国迎等开发出柔软轻便有弹性、有触觉的机械手

撰文｜王聪

全世界有超过 500 万接受过上肢截肢手术，而目前假肢已经取得了长足进步。除了传统的人体模型式假肢外，越来越多的仿生神经假肢开始出现，它们通过感知肌肉神经信号来指挥假肢做出预期动作。

这些高科技仿生假肢相比传统模型假肢更为灵巧，但它们的缺点也很明显，首先是价格高昂，往往需要数万美元，其次是由金属骨架构成，又重又硬，很不轻便。而且这些假肢都没有触觉。

电影《超能陆战队》里的机器人大白，因为是一个充气机器人，所以非常柔软。如果能开发一款类似的充气型假肢，就能同时解决目前神经假肢的又重又硬不轻便的问题。

2021年8月16日，上海交通大学谷国迎教授、朱向阳教授、麻省理工学院赵选贺教授作为共同通讯作者，发表了一篇题为：A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback 的研究论文。

研究团队开发了一款柔软而富有弹性、轻便、低成本的充气式仿生神经机械手，截肢者佩戴后，能够很好的完成拉拉链、倒水、递东西、抚摸宠物猫等各种操作，效果与刚性神经假肢一样好，某些方面甚至更好。

这款机械手还集成了触觉反馈系统，能够为截肢者提供触觉，硬件成本仅500美元左右，重量也仅有292克，还非常耐用，在被锤子敲击或被汽车碾压后能迅速恢复。

为了让机械手像大白一样的柔软，研究团队使用了一种名为EcoFlex的共聚酯材料，这种材料柔软、有弹性。假肢包括5个可充气手指，每个手指中嵌入纤维片段，类似于手指中的关节。手指连接到3D打印的手掌。

然后，研究团队不像大多数神经假肢那样安装电机控制每个手指，而是使用一个简单的气动系统来精确地给手指充气并在特定位置弯曲它们。该系统包括一个小型气泵和阀门，可佩戴在腰部，显著减轻了假肢的重量。

然后研究团队开发了一个计算模型，将手指的期望位置与气泵为达到该位置而必须施加的相应压力相关联。使用这个模型，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仿几种常见抓握的姿势下给手指充气，包括将两个和三个手指捏在一起，握成拳头，握住手掌。

在假肢接口处安装传感器，传感器接收佩戴者的肌肉电信号，通过算法解码电信号并将其与常用的抓握类型相关联，例如，当佩戴者想象自己拿着酒杯时，传感器会接收肌肉电信号，然后控制器将其转换为相应的压力，然后气泵施加这些压力来使每个手指膨胀并产生截肢者的预期抓握。

接下来，研究团队想更进一步，实现绝大多数商业化神经假肢都不具备的功能——触觉反馈。研究团队在假肢的每个手指尖安装了一个压力传感器，当触摸或挤压该传感器时，会产生与压力成正比的电信号，并传递给佩戴者，从而使其可以实现触觉的实时反馈。

研究团队招募了两名志愿者进行测试，这两名志愿者均上肢截肢。他们佩戴上机械手后进行了15分钟的操作培训，然后完成书写、拿东西、捡东西、提起重物、翻书、碰杯、抚摸宠物猫等一系列展示机械手力量和灵活性的动作，并与市售神经机械手比较。发现这款充气神经机械手在大多数任务中完成得一样好，甚至更好。

然后，研究人员蒙住了志愿者的眼睛，发现他可以分辨出是戳还是刷过机械手的指尖，还能够感知到放置在机械手中的不同大小的瓶子，并做出反应。这表明这款充气神经机械手能够帮助截肢者在一定程度上恢复触觉。

麻省理工学院赵选贺教授表示，这款机械手还没有开发成商业产品，但他的性能与现有的神经假肢相似甚至更好，而且制造成本非常低，这对于低收入家庭的截肢者来说，具有巨大潜力。

目前该机械手可以实现4种不同的抓握动作，研究团队应申请了专利，并正在努力改进，以实现更灵敏的传感、更多的运动范围，最终实现批量生产，造福社会。

谷国迎教授

论文链接：

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