工程师们开发出了一种开创性的假肢手，可以像人类一样抓握毛绒玩具、水瓶和其他日常物品，精确地适应和调整握持方式，以避免损坏或处理不当持有的物品。
约翰霍普金斯大学的工程师们开发出了一种开创性的假肢手，可以像人类一样抓握毛绒玩具、水瓶和其他日常物品，精确地适应和调整握持方式，以避免损坏或处理不当持有的物品。
该系统的混合设计是机器人手的首次创新，传统机器人手通常过于刚性或过于柔软，无法像人类触摸物体时那样复制人类的触感。这一创新为失去手的人群提供了一个有前景的解决方案，并可能改善机器人手臂与其环境的互动。
关于该设备的细节今天出现在Science Advances上。
约翰霍普金斯生物医学工程师Sriramana Sankar表示：“从一开始的目标就是创建一种基于人手的物理和感知能力建模的假肢手——一种功能和感觉都像失去的肢体的更自然的假肢。” “我们希望给予失去上肢的人能够安全、自由地与其环境互动的能力，能够触摸和抱住他们所爱的人，而不必担心会伤害到他们。”
该设备由同一神经工程和生物医学仪器实验室开发，该实验室在2018年创造了世界上第一个具有类人痛感的电子“皮肤”，其特点是具有橡胶状聚合物的多指系统和坚固的3D打印内部骨架。其灵感来自人类皮肤层的三层触觉传感器，允许它抓握和区分各种形状和表面纹理的物体，而不仅仅是检测触摸。每个充满空气的软指节都可以通过前臂的肌肉控制，机器学习算法将人工触觉接收器的信号聚焦，从而创造出真实的触觉感。Sankar表示：“来自其手指的感觉信息被转化为神经通讯，实现通过电刺激提供自然的感觉反馈。”
在实验室中，该手识别和操控了15种日常物品，包括精致的毛绒玩具、洗碗海绵和纸板箱，以及菠萝、金属水瓶和其他更坚固的物品。在实验中，该设备与其他选择相比表现最佳，成功处理物品的准确度达到99.69%，并根据需要调整握持以防止意外发生。最好的例子是，它灵巧地用三根手指抓起一个装满水的薄而脆弱的塑料杯，且没有凹陷。
“我们结合了刚性和柔性机器人的优势来模仿人类手，”Sankar说。“人类的手既不是完全刚性的，也不是完全柔软的——它是一种混合系统，骨头、软关节和组织共同工作。这正是我们希望我们的假肢手实现的目标。这是机器人技术和假肢领域的新领地，以前还没有完全接受这种混合技术。它能坚决握手或在不担心压碎物体的情况下抓取柔软物体。”
为了帮助截肢者恢复在抓握物体时感知物体的能力，假肢需要三个关键组件：检测环境的传感器、将这些数据转化为类神经信号的系统，以及刺激神经的方式，以便用户能感受到触觉，约翰霍普金斯大学生物医学工程教授Nitish Thakor说，他负责该项工作。
这种仿生技术允许手以这种方式运作，使用前臂的肌肉信号，类似于大多数手部假肢。这些信号架起了大脑与神经之间的桥梁，使手根据触觉弯曲、放松或反应。结果是，一个机器人手直观地“知道”它在触摸什么，正如神经系统所做的那样，Thakor说。
“如果你手里拿着一杯咖啡，你怎么知道你快要掉下来了？你的手掌和指尖向你的大脑发送信号，告诉它杯子正在滑落，”Thakor说。“我们的系统是受到神经启发的——它模拟手的触觉接收器产生类神经消息，以便假肢的‘大脑’，或其计算机，可以理解某物是热的还是冷的，软的还是硬的，或者是从握持中滑落。”
虽然该研究是混合机器人技术的早期突破，可能会改变假肢和机器人技术，但Thakor指出，仍需要更多的工作来完善该系统。未来的改进可能包括更强的握持力、额外的传感器和工业级材料。
“这种混合灵巧性不仅对下一代假肢至关重要，”Thakor说。“它是未来机器人手所需的，因为它们不仅会处理大型重物，还需要与玻璃、布料或柔软玩具等精细材料合作。这就是为什么设计类似人类手的混合机器人如此有价值——它结合了柔软和刚性结构，就像我们的皮肤、组织和骨骼一样。”
其他作者包括佛罗里达大西洋大学的Wen-Yu Cheng；约翰霍普金斯大学的Jinghua Zhang、Ariel Slepyan、Mark M. Iskarous、Rebecca J. Greene、Rene DeBrabander和Junjun Chen；以及伊利诺伊大学芝加哥分校的Arnav Gupta。
该研究得到了来自国防部通过矫形和假肢成果研究项目（W81XWH2010842）和国家科学基金会的资助，项目名称为“神经形态反馈：增强假肢体验与表现的策略”。
