說到仿生機(jī)械手，大家應(yīng)該已經(jīng)不陌生了。

最近幾年，多種仿生機(jī)械手層出不窮，它們不僅外表炫酷充滿科技感，有的還結(jié)合肌電控制，電機(jī)驅(qū)動等功能，幫助截肢患者完成一些簡單的操作。

但要想替代真正的人手，依然是一個長期而艱難的挑戰(zhàn)。即便是最先進(jìn)的仿生手臂，也無法達(dá)到人類手的復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性。

到目前為止，大部分的仿生手都采用軟材料包裹著剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)來模仿人手的皮膚與骨骼，同時配備的多種復(fù)雜的電機(jī)與控制系統(tǒng)使其不僅成本高，而且又重又硬，冷冰冰的金屬無法將人手柔軟的、流暢的動作模仿出來。這種機(jī)械手與物體或人的互動難免比較生硬，患者使用起來會覺得“不太自然、不舒服”。

2021年8月16日，上海交通大學(xué)朱向陽教授、谷國迎教授、麻省理工學(xué)院趙選賀教授作為共同通訊作者，在國際著名期刊《Nature Biomedical Engineering》（自然·生物醫(yī)學(xué)工程）上，發(fā)表了一篇題為A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectriccontrol and tactile feedback（操作感知一體化的軟體神經(jīng)假肢手） 的研究論文。

研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)了一款柔軟而富有彈性、輕便、低成本的充氣式仿生神經(jīng)機(jī)械手，重量僅有292g，僅為商用剛性仿生手重量的一半左右。還結(jié)合了觸覺反饋和肌電控制，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多種靈活的手部動作，還可幫助截肢患者恢復(fù)觸覺感知反饋和閉環(huán)控制能力！

▍“皮膚”柔軟順應(yīng)性好，氣動驅(qū)動重量輕

這款仿生手由手指與手掌組成，大部分由硅橡膠材料制作而成，柔軟的材料賦予了仿生手很好的柔順性，不會損壞柔軟、易碎的物體；它雖“柔”也并不“弱”，不會被輕易損壞，就是汽車碾過去也毫發(fā)無損。

仿生手具有六個主動自由度，拇指具有一個額外的自由度，用于實現(xiàn)手部回握的動作；每根手指被設(shè)計為纖維增強(qiáng)的彈性管狀結(jié)構(gòu)，手指中間有兩個或三個特定長度的柔性關(guān)節(jié)，來模擬人類雙手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

和剛性仿生機(jī)械手的驅(qū)動方式不同，這款軟體仿生手采用了氣動驅(qū)動的方式，這也是減輕整體重量的關(guān)鍵因素，手指部分的彈性管狀結(jié)構(gòu)在不同的氣壓驅(qū)動下可以彎曲成目標(biāo)角度，輕松實現(xiàn)多種靈巧抓握手勢。

柔軟靈活的同時，它還是個大力士，還能提重物：

驅(qū)動硬件采用了分布式模塊化的設(shè)計：微型泵、閥、電路板、電池等器件可裝在輕量化腰包中，氣動軟體手指、傳感器等位于仿生手本體中，腰包與機(jī)械手中的硬件通過隱藏的氣管和電線進(jìn)行連接。

▍觸覺反饋與肌電控制

光有柔順抓取還不夠，仿生手最重要的是讓截肢患者感受到“真實的觸覺”。

這種“觸覺”來源于定制的肌電控制接口與觸覺閉環(huán)反饋，該策略主要由3部分組成：

1. 截肢受試者胳膊上會貼上4個肌電傳感器，它可以接收并記錄受試者的表面肌電信號，解碼運動意圖以控制軟體手指和手掌，傳遞相應(yīng)的抓握類型；

2. 每個手指的指尖都內(nèi)置了水凝膠-彈性體混合的柔性壓力傳感器，可看作一個用于感知觸摸壓力的電容器，觸摸物體時彈性體層的厚度會降低，從而增加了電容器的電容；

3. 指尖上的傳感器測量到的相對電容變化，可以控制一個電刺激器，并產(chǎn)生電脈沖，刺激殘肢肌肉的特定區(qū)域，實現(xiàn)觸覺信號的神經(jīng)反饋，使受試者感受到指尖的觸摸壓力。

隨機(jī)按壓受試者所佩戴的仿生手的五個手指，受試者可以準(zhǔn)確分辨出哪幾根被按壓了。

電刺激器可將信號分類為幾個常用的抓取類型，比如五只手指都參與的“握”，只用食指與大拇指的“捏”等等；通用異步接收/發(fā)送器 (UART) 端口，將分類結(jié)果發(fā)送到微控制器上，微控制器再通過兩個固態(tài)繼電器控制氣泵和閥門，將一定大小的氣體輸送至仿生手中，這樣就實現(xiàn)了受試者對仿生手的直觀控制。

同時，通過對電脈沖的頻率與壓力傳感器相對電容變化量的編碼映射，截肢受試者可以恢復(fù)分級觸覺感知能力，實現(xiàn)對不同尺寸抓握對象（譬如不同直徑的柱體）的識別與分辨。

▍不只舒適，比剛性仿生手的觸感更精準(zhǔn)

為了評估這款軟體仿生手的使用性能，研究人員進(jìn)行了軟體仿生手與剛性仿生手的對比實驗，讓受試者分別佩戴兩種不同的仿生手來抓握草莓、面包和紙杯：

當(dāng)受試者佩戴剛性仿生手時，草莓被捏出了汁；而軟體仿生手下的草莓完好無損。

同樣，在測試抓握面包時，剛性仿生手直接把面包捏出了兩個洞。

相比剛性仿生手，軟體仿生手抓取物品的適應(yīng)性更強(qiáng)，觸感更精準(zhǔn)；同時軟體仿生手重量大幅降低，受試者佩戴時表示使用的舒適性明顯提升。

研究人員還進(jìn)行了日常生活中的應(yīng)用驗證，佩戴軟體仿生手后，受試者可以進(jìn)行自主抓取和操作不同的物品，例如吃蛋糕，握紅酒杯等；捏著拉鏈向上拉等精細(xì)的操作任務(wù)也能夠完成；和其他人互動時也很安全，能夠和朋友握手，躺在草地上擼貓。

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據(jù)悉，研究團(tuán)隊已申請了專利，并正在努力改進(jìn)，以實現(xiàn)更靈敏的傳感、更多的運動范圍，最終實現(xiàn)批量生產(chǎn)，造福社會。

▍總結(jié)與展望

軟體驅(qū)動器因其輕便、成本低、順應(yīng)性好等優(yōu)點，已經(jīng)普遍被應(yīng)用于柔性抓取、醫(yī)療康復(fù)和智能穿戴等領(lǐng)域中，在許多爬行、水下、手術(shù)機(jī)器人的身上也能看到軟體驅(qū)動器的身影。低壓驅(qū)動、高應(yīng)變幅度與速度、易于制作、耐久性高，這些都是剛性驅(qū)動器無法做到的。

這種將軟體驅(qū)動器與肌電控制、觸覺反饋集成為一體的仿生假肢手，能夠幫助截肢患者恢復(fù)靈巧的手部功能，還能讓其感知到真正的手部觸覺；和商用仿生假肢相比，不僅重量上大大減輕，制作成本也低了許多，這對于低收入家庭的截肢患者來說，具有巨大潛力。

先進(jìn)的肌電解碼算法和感知反饋方法，能夠進(jìn)一步提高軟體神經(jīng)假肢手的性能，為下一代柔順、輕便、低成本的仿生肢體的發(fā)展提供新的思路和方法。