仿生手“汉尼斯”实现突破 可恢复90%手部功能

“汉尼斯”的3D视图。“汉尼斯”的机电构造图。“汉尼斯”和人手的对比。

　　在近期刊发的Science子刊Science Robotics上，仿生手“汉尼斯”（Hannes）的相关论文登上封面，此项研究由来自意大利理工学院和意大利国家工伤保险研究所INAIL假肢中心的科学家团队完成，其中还有截肢患者、整形外科医师和工业设计师等共同参与。
　　该论文的题目为《“汉尼斯”假肢可复制人手的关键生物学特性》（The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand），为致敬20世纪60年代上肢假肢的开拓者Johannes Hannes Schmidl教授，研究团队将其命名为“汉尼斯”。
　　“汉尼斯”手具有仿生特性，与人手非常相似，可覆盖手部和腕部，能实现精确的类似人手的抓握行为，还可恢复上肢截肢患者恢复90％以上的功能。
　　除主动握持以外，它还能递送物体，当把易拉罐的底部递给“汉尼斯”，它可以轻松握住瓶底，并在对方试图拿走时松开手。
　　具体来说，它主要由三块物理部件组成：
　　1、一个拟人的肌电多关节假手，采用基于差动机构的欠驱动结构（欠驱动结构是输入量少于控制量的典型系统）；
　　2、被动屈伸手腕模块；3、肌电接口/控制器，包括两个表面肌电传感器、电池组和控制电子元件。
　　三块组成部分互相作用，如3D图所示，A部分是嵌于“汉尼斯”中的直流电机和电机控制板，插座里是肌电接口/控制器。
　　在它的3D视图中，右边是传动机构的横截面，红色的是引导线，绿色的是食指和中指的动线，黄色则是无名指和小指的从动线。
　　它的工作原理是，放置在定制插座中的表面肌电传感器，可监测到手臂下部或较高部位的残留肢体肌肉的活动，用户可主动收缩这些肌肉以完成多种动作。此外，通过专门开发的软件和蓝牙连接，使用时可以定制手部的操作参数，如动作精度和速度等，从而让用户找到最适合的体验。
　　可与人手相媲美的高度拟人化“汉尼斯”智能的机械设计，在目前该领域内较为少见。这种设计可让假肢做出自然手的动作，由于其底层机构是一个机械差动系统，只需使用一个电机就能适应被抓取的物体。通过它的机电构造采用机械设计可以看出，其中B图展示的是食指运动机械设计，C图则是拇指运动机械设计。
　　尺寸和成年人手掌平均大小相当，且有分别适用于“左撇子”和“右撇子”的款式，男女皆可使用，重量为450克左右。
　　即使在静止状态下，“汉尼斯”的手指也能自然弯曲和定位，特别是拇指能在三个位置上，进行各种不同的抓握方式，如用于拾取小物件的精细抓握，用于抓取薄物的横向抓握，以及抓取重物类的动力抓握。
　　整体抓握效率较高，手腕还可实现内旋和后仰，类似于拧钥匙的转动运动，此外还能实现不同方向上抓握。它和人手的最大差异主要在中指，差值为4.8%。除远端指间关节外，“汉尼斯”的所有手指自由度均已实现。不过，为实现功能性和复杂性的权衡，它省略了远侧指间关节，并用固定角度代而取之；它的拇指和人类拇指也不一样，指间关节和掌指关节是锁定的。
　　由于抓取不同物品使用的力气不同，用户可通过调节肌电活动来实现力量的增减。具体调节时，“汉尼斯”的内部控制器可向手部发送随肌肉激活比例增加的速度参考，并能针对不同患者来调整控制参数，从而给不同患者带来精确力量辅助。
　　“汉尼斯”的机电结构图展示了上述过程，为通过直接肌电控制，来控制力气调节。其中，红线表示开启肌电传感器活动，蓝线表示关闭肌电传感器活动。红色和蓝色虚线分别表示打开和关闭肌电传感器时，传感器活动的激活阈值。
　　为确定“汉尼斯”与人手协同运动行为的相似程度，研究人员进行了运动学分析。分析后发现，“汉尼斯”在抓取不同对象时，其静态和动态的运动学行为，均和人手相似。在握持饮料、铅笔、水杯等物体时，它和人手关节角度表现出较强的相关性。
　　除了远侧指间关节被锁定外，“汉尼斯”的关节活动度大体上接近人手，并且比此前其他团队研发的米开朗基罗智能假肢手更具仿生性。
　　为评估“汉尼斯”有效性和可用性，三位患者参与了为期大约2周的试验，其中1号和2号参与者在它的辅助下，呈现出较好的表现，佩戴后他们执行任务所需时间分别减少约10％和30％。
　　测试结果还显示，“汉尼斯”能在1秒内实现完整的抓取动作，最高可释放150牛顿的力，并能帮助截肢者实现90%的手部功能。所以“汉尼斯”已经达到完成日常生活活动的要求。
　　其动力来源主要为电源，它的电池容量为1300mAh，充满电可以使用一天，使用磁性插头就能给电池充电。
　　不过总体来看，“汉尼斯”的反应速度依然低于人手所能达到水平，正如研究团队所说：“假肢仍然只是一种工具，无法代替患者失去的那一部分所提供的生理功能。”
　　已获CE标志未来将进入医疗市场在《攻壳机动队》等科幻作品中，“义体”指的是取代原本残破肉体的机械义肢。在现实世界，遭遇意外不得已截肢的患者，为继续生活和工作而安装假肢的案例非常多。
　　虽然目前的技术远达不到让人全身义体化、且能保持功能的地步，但越来越多科幻电影里的内容成真，通过脑机接口等技术、来实现对机器肢体的操纵也有了不少突破。
　　不过，用人工装置取代人手仍然是一项长期挑战，即使是最先进的手部假体，也不能达到媲美人手的复杂性、灵巧性和适应性，因此假肢的放弃率仍然很高。
　　此前，马斯克的Neuralink希望将极小的电级植入大脑，利用电流让电脑和脑细胞“互动”。而“汉尼斯”系统则采用无创的非侵入式的技术，不需要植入芯片，通过佩戴设备，系统就可以收集、处理人体肌电信号。相比于植入芯片来讲，用户对这种无创方式的接受程度会更高。
　　目前，“汉尼斯”已获CE标志（30个欧洲国家强制性地要求产品必须携带的安全标志），研究团队正在寻找投资，以期量产“汉尼斯”仿生手。
　　2016年10月，国务院在《关于加快发展康复辅助器具产业的若干意见》中明确提出：“支持人工智能、脑机接口、虚拟现实等新技术在康复辅助器具产品中的集成应用，支持外骨骼机器人、照护和康复机器人、仿生假肢、虚拟现实康复训练设备等产品研发。”
　　另据第六次全国人口普查及第二次全国残疾人抽样调查，仅2010年末中国残疾人已达8502万人，其中5000多万人有康复需求，60%以上需要辅助器具。可以说，为截肢者提供反馈自然的假肢，是康复事业发展的迫切要求。如果“汉尼斯”这类仿生手可以批量生产，必将有更多用户受益。
（麻省）