“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

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,由來自意大利理工學院和意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。

正如研究團隊所説:

引用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,但意大利理工學院和意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意大利 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 。

這裏值得一提的是,用於 Hannes 供電的電池組續航長達一整天。當不使用 Hannes 時,用户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%。也就是説,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。


説回仿生手 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
雷鋒網(公眾號:雷鋒網)雷鋒網雷鋒網

雷鋒網原創文章,未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知


資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

如果喜歡我們的文章,請即分享到︰