在近期刊發(fā)的 Science 子刊 Science Robotics 上，仿生手 “漢尼斯（Hannes）” 的相關(guān)論文登上封面，研究由來自意大利理工學(xué)院和意大利國家工傷保險(xiǎn)研究所 INAIL 假肢中心的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)完成，其中還有截肢患者、整形外科醫(yī)師和工業(yè)設(shè)計(jì)師等共同參與。

圖 | 漢尼斯仿生手

該論文的題目為《漢尼斯假肢可復(fù)制人手的關(guān)鍵生物學(xué)特性》（The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand），為致敬 20 世紀(jì) 60 年代上肢假肢的開拓者 Johannes Hannes Schmidl 教授，研究團(tuán)隊(duì)將其命名為漢尼斯。

漢尼斯手具有仿生特性，與人手非常相似，可覆蓋手部和腕部，能實(shí)現(xiàn)精確的類似人手的抓握行為，還可恢復(fù)上肢截肢患者恢復(fù) 90％以上的功能。

圖 | 用漢尼斯干活、用剪刀、拿電鉆

戴上它，可以拿起鋼球。

還能抓握住圓柱形物體，如傘柄等。

除主動(dòng)握持以外，它還能遞送物體，當(dāng)把易拉罐的底部遞給漢尼斯，它可以輕松握住瓶底，并在對(duì)方試圖拿走時(shí)松開手。

具體來說，它主要由三塊物理部件組成：

1、一個(gè)擬人的肌電多關(guān)節(jié)假手，采用基于差動(dòng)機(jī)構(gòu)的欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是輸入量少于控制量的典型系統(tǒng)）；

2、被動(dòng)屈伸手腕模塊；

3、肌電接口 / 控制器，包括兩個(gè)表面肌電傳感器、電池組和控制電子元件。

三塊組成部分互相作用，如下圖所示，A 部分是嵌于漢尼斯中的直流電機(jī)和電機(jī)控制板，插座里是肌電接口 / 控制器，B 部分是帶上手套的漢尼斯。

圖 | 漢尼斯手的內(nèi)部架構(gòu)、外形和可以執(zhí)行的動(dòng)作

下圖 A 是它的 3D 視圖，右邊是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫截面，紅色的是引導(dǎo)線，綠色的是食指和中指的動(dòng)線，黃色則是無名指和小指的從動(dòng)線。

圖 | 漢尼斯的 3D 視圖

它的的工作原理是，放置在定制插座中的表面肌電傳感器，可監(jiān)測(cè)到手臂下部或較高部位的殘留肢體肌肉的活動(dòng)，用戶可主動(dòng)收縮這些肌肉以完成多種動(dòng)作。此外，通過專門開發(fā)的軟件和藍(lán)牙連接，使用時(shí)可以定制手部的操作參數(shù)，如動(dòng)作精度和速度等，從而讓用戶找到最適合的體驗(yàn)。

可與人手相媲美的高度擬人化

漢尼斯智能的機(jī)械設(shè)計(jì)，在目前該領(lǐng)域內(nèi)較為少見。這種設(shè)計(jì)可讓假肢做出自然手的動(dòng)作，由于其底層機(jī)構(gòu)是一個(gè)機(jī)械差動(dòng)系統(tǒng)，只需使用一個(gè)電機(jī)就能適應(yīng)被抓取的物體。

下圖是它的機(jī)電構(gòu)造采用機(jī)械設(shè)計(jì)，其中 B 圖展示的是食指運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)，C 圖則是拇指運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)。

圖 | 漢尼斯的機(jī)電構(gòu)造圖

尺寸和成年人手掌平均大小相當(dāng)，且有分別適用于 “左撇子” 和 “右撇子” 的款式，男女皆可使用，重量為 450 克左右。

圖 | 漢尼斯和人手的協(xié)同對(duì)比

即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，漢尼斯的手指也能自然彎曲和定位，特別是拇指能在三個(gè)位置上，進(jìn)行各種不同的抓握方式，如用于拾取小物件的精細(xì)抓握，用于抓取薄物的橫向抓握，以及抓取重物類的動(dòng)力抓握。

整體抓握效率較高，手腕還可實(shí)現(xiàn)內(nèi)旋和后仰，類似于擰鑰匙的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，此外還能實(shí)現(xiàn)不同方向上抓握。

它和人手的最大差異主要在中指，差值為 4.8%。如下圖所示，除遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)外，漢尼斯的所有手指自由度均已實(shí)現(xiàn)。不過，為實(shí)現(xiàn)功能性和復(fù)雜性的權(quán)衡，它省略了遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)，并用固定角度代而取之；它的拇指和人類拇指也不一樣，指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)是鎖定的。

圖 | 漢尼斯和人手的對(duì)比

由于抓取不同物品使用的力氣不同，用戶可通過調(diào)節(jié)肌電活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)力量的增減。具體調(diào)節(jié)時(shí)，漢尼斯的內(nèi)部控制器可向手部發(fā)送隨肌肉激活比例增加的速度參考，并能針對(duì)不同患者來調(diào)整控制參數(shù)，從而給不同患者帶來精確力量輔助。

下面兩張圖展示了上述過程，圖 A 為通過直接肌電控制，來控制力氣調(diào)節(jié)。其中，紅線表示開啟肌電傳感器活動(dòng)，藍(lán)線表示關(guān)閉肌電傳感器活動(dòng)。紅色和藍(lán)色虛線分別表示打開和關(guān)閉肌電傳感器時(shí)，傳感器活動(dòng)的激活閾值。

圖 | 漢尼斯的閉合程度

為確定漢尼斯與人手協(xié)同運(yùn)動(dòng)行為的相似程度，研究人員進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。分析后發(fā)現(xiàn)，漢尼斯在抓取不同對(duì)象時(shí)，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)行為，均和人手相似。在握持飲料、鉛筆、水杯等物體時(shí)，它和人手關(guān)節(jié)角度表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。

除了遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)被鎖定外，漢尼斯的關(guān)節(jié)活動(dòng)度大體上接近人手，并且比此前其他團(tuán)隊(duì)研發(fā)的米開朗基羅智能假肢手更具仿生性。

圖 | 漢尼斯的人體測(cè)量

為評(píng)估漢尼斯有效性和可用性，三位患者參與了為期大約 2 周的試驗(yàn)，其中 1 號(hào)和 2 號(hào)參與者在它的輔助下，呈現(xiàn)出較好的表現(xiàn)，佩戴后他們執(zhí)行任務(wù)所需時(shí)間分別減少約 10％ 和 30％。

圖 | 三位測(cè)試用戶

測(cè)試結(jié)果還顯示，漢尼斯能在 1 秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整的抓取動(dòng)作，最高可釋放 150 牛頓的力，并能幫助截肢者實(shí)現(xiàn) 90% 的手部功能。所以漢尼斯已經(jīng)達(dá)到完成日常生活活動(dòng)的要求。

其動(dòng)力來源主要為電源，它的電池容量為 1300mAh，充滿電可以使用一天，使用磁性插頭就能給電池充電。

不過總體來看，漢尼斯的反應(yīng)速度依然低于人手所能達(dá)到水平，正如研究團(tuán)隊(duì)所說：“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?！?/p>

已獲 CE 標(biāo)志，未來將進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng)

在《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》等科幻作品中，“義體”指的是取代原本殘破肉體的機(jī)械義肢。在現(xiàn)實(shí)世界，遭遇意外不得已截肢的患者，為繼續(xù)生活和工作而安裝假肢的案例非常多。

雖然目前的技術(shù)遠(yuǎn)達(dá)不到讓人全身義體化、且能保持功能的地步，但越來越多科幻電影里的內(nèi)容成真，通過腦機(jī)接口等技術(shù)、來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器肢體的操縱也有了不少突破。

不過，用人工裝置取代人手仍然是一項(xiàng)長期挑戰(zhàn)，即使是最先進(jìn)的手部假體，也不能達(dá)到媲美人手的復(fù)雜性、靈巧性和適應(yīng)性，因此假肢的放棄率仍然很高。

此前，馬斯克的 Neuralink 希望將極小的電級(jí)植入大腦，利用電流讓電腦和腦細(xì)胞 “互動(dòng)”。而漢尼斯系統(tǒng)則采用的無創(chuàng)的非侵入式的技術(shù)，不需要植入芯片，通過佩戴設(shè)備，系統(tǒng)就可以收集、處理人體肌電信號(hào)。相比于植入芯片來講，用戶對(duì)這種無創(chuàng)方式的接受程度會(huì)更高。

目前，漢尼斯已獲 CE 標(biāo)志（一個(gè) 30 個(gè)歐洲國家強(qiáng)制性地要求產(chǎn)品必須攜帶的安全標(biāo)志），研究團(tuán)隊(duì)正在尋找投資，以期量產(chǎn)漢尼斯仿生手。

2016 年 10 月，國務(wù)院在《關(guān)于加快發(fā)展康復(fù)輔助器具產(chǎn)業(yè)的若干意見》明確提出：“支持人工智能、腦機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)在康復(fù)輔助器具產(chǎn)品中的集成應(yīng)用，支持外骨骼機(jī)器人、照護(hù)和康復(fù)機(jī)器人、仿生假肢、虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備等產(chǎn)品研發(fā)?！?/p>

另據(jù)第六次全國人口普查及第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查，僅 2010 年末中國殘疾人已達(dá) 8502 萬人，其中 5000 多萬人有康復(fù)需求，60% 以上需要輔助器具。可以說，為截肢者提供反饋?zhàn)匀坏募僦强祻?fù)事業(yè)發(fā)展的迫切要求。如果漢尼斯這類仿生手可以批量生產(chǎn)，必將有更多用戶受益。

來源：麻省理工科技評(píng)論