机器之心报道
编辑：蛋酱、小舟
充气软体神经假肢手富有弹性 ， 能提供实时触觉控制 ， 重约 0.5 磅 ， 且成本仅为同类义肢的几分之一 。
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在传统的类人体义肢之外 ， 越来越多的学界和业界机构都在开发高度铰接的仿生肢体 ， 旨在感知人类用户剩余的肌肉信号 ， 并委托机器人模拟他们的预期动作 。
但这种高科技带来的灵巧度 ， 往往伴随着极高的经济成本 。 智能义肢的价格可能达到数万美元 ， 而且是用金属骨架打造的 ， 同时携带着沉重的电机 。
近日 ， 上海交通大学和 MIT 的研究者介绍了一种柔软、轻便、低成本的智能义肢 。 它重约 0.5 磅 ， 组件成本总计约 500 美元 ， 这仅是其他更坚固的智能义肢的重量及材料成本的一小部分 。
【充气|可撸猫、握手、吃蛋糕，上海交大、MIT研发新型智能义肢，重量仅0.5磅】在测试中 ， 一名志愿者能够在日常活动中熟练地使用该软体义肢 ， 例如用该义肢拿起蛋糕来吃：
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端起高脚酒杯来喝红酒 ， 再稳稳地把高脚杯放回原处：
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甚至可以只用几根手指拿薯片吃：
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或者拉动电脑包拉链：
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这位志愿者不仅能操纵该软体义肢来拿取物体 ， 还能抚摸一只猫：
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并且研究人员在实验中发现 ， 这种有触觉反馈系统设计的义肢恢复了残肢志愿者的一些原始感觉 。 新设计非常耐用 ， 在被锤子敲击或被汽车碾压后能迅速恢复 。
论文的作者包括上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所朱向阳、谷国迎教授和麻省理工学院赵选贺教授等 ， 上海交通大学为论文第一作者和通讯作者单位 ， 博士研究生张宁斌为论文共同第一作者 。 目前研究已经发表在《自然 · 生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering） 。
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论文链接：https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0
赵选贺教授表示：「这尚未成为产品 ， 但与现有的智能义肢相比 ， 其性能可相媲美或者更优 。 对于低收入家庭来说 ， 这种软义肢的成本非常低 ， 潜力巨大 。 」
这种柔韧的新设计与动画电影《超能陆战队》里的充气机器人大白有着惊人的相似之处 。 这款人造义肢由柔软的商用弹性体 EcoFlex（共聚酯）制成 ， 包括五个气球状手指 ， 每个手指都镶嵌了纤维段 ， 类似于实际手指中的关节骨 ， 弯曲的手指连接到形状像人手的 3D 打印「手掌」 。
不像大多数智能义肢那样使用安装的电动机控制每个手指 ， 这款义肢使用一个简单的气动系统来精确地给手指充气 ， 并在特定位置使其弯曲 。 该系统包括一个小型泵和阀门 ， 可佩戴在腰部 ， 因此明显减轻了义肢本身的重量 。
为了测试充气手 ， 研究人员招募了两名志愿者 ， 每人都有上肢截肢 。 配备神经义肢以后志愿者们会通过反复收缩手臂肌肉 ， 同时想象进行几个常见的抓握来使用它 。
完成 15 分钟的训练后 ， 志愿者会进行一系列标准化测试 ， 以展示手动力量和灵活性 。 这些任务包括叠棋子、翻页、用钢笔书写、举起重球以及捡起草莓和面包等易碎物品 。 他们使用更坚固的市售仿生手重复了相同的测试 ， 发现充气义肢在大多数任务中与其刚性对应物一样好 ， 甚至更好 。
论文中的图展示了志愿者还可以完成握住钳子、抽取纸巾、握手等难度较大的行为：
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技术原理
软体神经义肢手具有六个主动自由度 ， 在气压驱动下可实现多种灵巧抓握手势 。 每个手指具有内嵌多段分布式硬质结构层的纤维增强软体结构 ， 在气压驱动下具有一个弯曲自由度 。 特别是拇指具有一个额外的自由度 ， 用于实现对掌运动 。 此外 ， 手指固有的柔顺性使其在面对柔软、易碎物体时也能够进行自适应抓握 。
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驱动控制硬件设计采用分布式模块化思路 。 微型泵、阀、电路板、电池等器件可装在轻量化腰包中 ， 气动软体手指、传感器等位于机械手本体中 ， 腰包与机械手中的硬件通过隐藏的气管和电线进行连接 。
根据需要 ， 所有器件均可集成于义肢的接收腔内 。 接收腔中嵌入了四个定制的肌电传感器 ， 用来记录残肢目标肌肉的表面肌电信号 ， 并解码截肢患者的运动意图 。
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值得注意的是 ， 各个软体手指的指尖内置了水凝胶 - 弹性体混合结构的柔性压力传感器 ， 并集成了电触觉系统 ， 具备触觉压力等外部感知信息的神经反馈功能 ， 可实现义肢手与神经系统的双向闭环控制 。
当指尖触觉传感器上的有效压力达到设定阈值时 ， 将触发电刺激器产生电脉冲并刺激残肢肌肉的特定区域 ， 实现触觉信号的神经反馈 。
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如上图所示 ， 在视觉 - 听觉屏蔽的交互实验中 ， 随机按压软体神经假肢手的五个手指 ， 截肢受试者可以准确分辨出任意单个或多个被按压的手指 。
此外 ， 通过对电脉冲的频率与压力传感器相对电容变化量的编码映射 ， 截肢受试者可以恢复分级触觉感知能力 ， 实现对不同尺寸抓握对象 ， 如不同直径柱体的识别与分辨 。
这是一个令人兴奋的结果 ， 表明截肢者可以通过充气手重新获得某种形式的感觉和实时控制 。
该团队已通过 MIT 为该设计申请了专利 ， 并在努力改进其传感和运动范围 。 研究团队表示：
「未来该软体神经假肢手还将有更多抓握类型 。 我们还想为批量生产定制设计 ， 让软机器人技术造福社会 。 」
参考链接：
https://me.sjtu.edu.cn/discovery/71078.html
https://news.mit.edu/2021/inflatable-robotic-hand-tactile-0816
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_原题《可撸猫、握手、吃蛋糕 ， 上海交大、MIT研发新型智能义肢 ， 重量仅0.5磅》
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