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“不妥协”的仿生手登上《科学-机器人》封面!外观高度类似人手,续航一整天

木马童年 2020-9-28 17:25 52 0

  科幻动作片《阿丽塔:战斗天使》中,26 世纪的女主在垃圾场被发现并改造为机械身体,重获新生后战斗力惊人。  而在 21 世纪的现实世界,遭遇意外不得已截肢的患者安装假肢继续生活、工作的例子也的确存在。  ...

  科幻动作片《阿丽塔:战斗天使》中,26 世纪的女主在垃圾场被发现并改造为机械身体,重获新生后战斗力惊人。

“不妥协”的仿生手登上《科学-机器人》封面!外观高度类似人手,续航一整天

  而在 21 世纪的现实世界,遭遇意外不得已截肢的患者安装假肢继续生活、工作的例子也的确存在。

  近日,有这样一款全新的仿生手问世,它仿照了人手的关键特性,可使患者恢复 90% 以上功能,仿生手在复杂性、灵活性和适应性方面有了新突破。

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  可以使用剪刀和喷壶。

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  也能准确完成抓取-放置任务。

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登上《科学-机器人》封面

  这种仿生手被称为 Hannes,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研制。

  2020 年 9 月 23 日,研究团队的论文发表于《科学-机器人》(Science Robotics),题为 The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand(Hannes 手复制了人手的关键生物特性)。

  值得一提的是,这篇论文也登上了最新一期《科学-机器人》杂志封面,看上去科技感十足。

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  论文介绍,要想把一款假肢做到和人手能力一致、效率相当的地步,并非易事。

  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。

  一直以来,科学家们设计假肢装置,主要参考的关键因素有这样几种:

  包括运动学、尺寸、重量和外观在内的「拟人」特征;

  速度、力量和灵活性等性能;

  稳定、有协调性的的抓握能力。

  而现实是,即便是由患者残肢肌肉的电信号控制的、具有好几个灵活自由度的最为先进的假肢,也无法达到人手的复杂性、灵活性和适应性。由于性能不佳,假肢废弃率居高不下。

  因此,研究团队希望打造一款出更趋近于人手特征的设备——实际上一些科学团队曾提出主张,认为可以在上述关键因素中做取舍、进行权衡,但意大利理工学院和意大利国家工伤保险研究所 INAIL 假肢中心的研究团队的看法是:任何特性都不该忽略,应该遵循一种不妥协的整体设计方法。

  以这种设计理念为指导,仿生手 Hannes 在科研人员、患者、整形外科医生和工业设计师的共同努力下问世——其设计理念还被授予了意大利 Compasso d'Oro 国际工业设计奖。

高度「拟人化」的 Hannes

  来具体看看仿生手 Hannes 有哪些特别之处。

  Hannes 由三大主要的交互组件组成:

  一个肌电多关节假肢,采用了基于差动机构的欠驱动结构;

  被动屈伸(F/E)手腕模块;

  肌电接口/控制器,包括两个表面肌电(sEMG)传感器、电池组和控制电子元件。

  可以参考下面这张酷酷的图示——A 部分展示的是,直流电机和电机控制板内嵌于 Hannes 中,而肌电接口/控制器则位于插座内,而 F / E 手腕位于二者之间;B 部分是带上手套的 Hannes 。

  这里值得一提的是,用于 Hannes 供电的电池组续航长达一整天。当不使用 Hannes 时,用户可以利用磁性插头连接器为电池充电。控制器可以向手发送随肌肉激活比例增加的速度参考,因此这套设备可以针对不同患者调整控制参数,实现对每位患者精确的运动和力量辅助。

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  Hannes 手掌和手指部分的尺寸如下,研究团队拿它和人手中位数数据(虚线水平)进行了比较。

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  可以看出,Hannes 显示出了极高的「拟人化」——与人手最大的差异体现在中指,差值为 4.8%。

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  Hannes 除远端指间关节(DIP)之外的所有手指自由度都被实现;拇指表现出了不同的运动学特性,例如指间关节(IP)和 MCP 关节是锁定的、向外展开是受驱动的、旋转是被动的。

  如下图 A 所示,患者可通过适当调节肌电 EMG 活动来调节力的增加与减小,当施加强烈的 EMG 激活时,Hannes 可在 0.25 秒内迅速闭合,力量最大为 150 N。B 图表明,Hannes 可在不到 1 秒的时间内完成完全闭合。

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  为进一步评估 Hannes 的有效性、可用性,三位患者参与了为期大约 2 周的试验,其中#1 和#2 参与者通过 Hannes 的辅助,有较好的表现,执行任务所需时间分别减少了约 10% 和 30%。也就是说,Hannes 已经达到了完成日常生活活动(ADLs)的要求。

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从实验室步入市场

  研究团队表示,过去十年中,科学家们一直试图设计功能和物理特性接近人手的假肢设备。其中,3D 扫描对侧肢体和“累积制造技术”(additive manufacturing techniques)都是一些较为新颖的设计方法。

  在研究团队看来,在众多设备中,最为成功的落地产品分别是:

  美国、德国科学家联合设计的“米开朗基罗之手”,2013 年开始有患者安装这种设备。

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  成立于 1919 年的德国假肢巨头 Ottobock 设计的设备。

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  一家英国公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手,也是世界第一个商业化仿生手。

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  说回仿生手 Hannes,目前它已获 CE 标志,也将进入医疗市场。研究团队正在寻找投资人,希望开始量产这种仿生手,造福更多患者。

  但需要明确的是,虽然和实验室或市面上的一些假肢比起来,Hannes 的性能有不小的提升,但无疑它做出动作的速度仍然低于人手,仿生手仍有很大的提升空间。

机器人
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