“不妥協(xié)”的仿生手登上《科學(xué)-機(jī)器人》封面！外觀高度類似人手，續(xù)航一整天

 　　科幻動(dòng)作片《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中，26 世紀(jì)的女主在垃圾場(chǎng)被發(fā)現(xiàn)并改造為機(jī)械身體，重獲新生后戰(zhàn)斗力驚人。

　　而在 21 世紀(jì)的現(xiàn)實(shí)世界，遭遇意外不得已截肢的患者安裝假肢繼續(xù)生活、工作的例子也的確存在。

　　近日，有這樣一款全新的仿生手問(wèn)世，它仿照了人手的關(guān)鍵特性，可使患者恢復(fù) 90% 以上功能，仿生手在復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性方面有了新突破。

　　可以使用剪刀和噴壺。

　　也能準(zhǔn)確完成抓取-放置任務(wù)。

登上《科學(xué)-機(jī)器人》封面

　　這種仿生手被稱為 Hannes，由來(lái)自意大利理工學(xué)院和意大利國(guó)家工傷保險(xiǎn)研究所 INAIL 假肢中心的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研制。

　　2020 年 9 月 23 日，研究團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表于《科學(xué)-機(jī)器人》（Science Robotics），題為 The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand（Hannes 手復(fù)制了人手的關(guān)鍵生物特性）。

　　值得一提的是，這篇論文也登上了最新一期《科學(xué)-機(jī)器人》雜志封面，看上去科技感十足。

　　論文介紹，要想把一款假肢做到和人手能力一致、效率相當(dāng)?shù)牡夭?，并非易事?/span>

　　正如研究團(tuán)隊(duì)所說(shuō)：

　　假肢仍然只是一種工具，無(wú)法代替患者失去的那一部分所提供的生理功能。

　　一直以來(lái)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)假肢裝置，主要參考的關(guān)鍵因素有這樣幾種：

　　包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、尺寸、重量和外觀在內(nèi)的「擬人」特征；

　　速度、力量和靈活性等性能；

　　穩(wěn)定、有協(xié)調(diào)性的的抓握能力。

　　而現(xiàn)實(shí)是，即便是由患者殘肢肌肉的電信號(hào)控制的、具有好幾個(gè)靈活自由度的最為先進(jìn)的假肢，也無(wú)法達(dá)到人手的復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性。由于性能不佳，假肢廢棄率居高不下。

　　因此，研究團(tuán)隊(duì)希望打造一款出更趨近于人手特征的設(shè)備——實(shí)際上一些科學(xué)團(tuán)隊(duì)曾提出主張，認(rèn)為可以在上述關(guān)鍵因素中做取舍、進(jìn)行權(quán)衡，但意大利理工學(xué)院和意大利國(guó)家工傷保險(xiǎn)研究所 INAIL 假肢中心的研究團(tuán)隊(duì)的看法是：任何特性都不該忽略，應(yīng)該遵循一種不妥協(xié)的整體設(shè)計(jì)方法。

　　以這種設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，仿生手 Hannes 在科研人員、患者、整形外科醫(yī)生和工業(yè)設(shè)計(jì)師的共同努力下問(wèn)世——其設(shè)計(jì)理念還被授予了意大利 Compasso d'Oro 國(guó)際工業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。

高度「擬人化」的 Hannes

　　來(lái)具體看看仿生手 Hannes 有哪些特別之處。

　　Hannes 由三大主要的交互組件組成：

　　一個(gè)肌電多關(guān)節(jié)假肢，采用了基于差動(dòng)機(jī)構(gòu)的欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；

　　被動(dòng)屈伸（F/E）手腕模塊；

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

　　可以參考下面這張酷酷的圖示——A 部分展示的是，直流電機(jī)和電機(jī)控制板內(nèi)嵌于 Hannes 中，而肌電接口/控制器則位于插座內(nèi)，而 F / E 手腕位于二者之間；B 部分是帶上手套的 Hannes 。

　　這里值得一提的是，用于 Hannes 供電的電池組續(xù)航長(zhǎng)達(dá)一整天。當(dāng)不使用 Hannes 時(shí)，用戶可以利用磁性插頭連接器為電池充電。控制器可以向手發(fā)送隨肌肉激活比例增加的速度參考，因此這套設(shè)備可以針對(duì)不同患者調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每位患者精確的運(yùn)動(dòng)和力量輔助。

　　Hannes 手掌和手指部分的尺寸如下，研究團(tuán)隊(duì)拿它和人手中位數(shù)數(shù)據(jù)（虛線水平）進(jìn)行了比較。

　　可以看出，Hannes 顯示出了極高的「擬人化」——與人手最大的差異體現(xiàn)在中指，差值為 4.8%。

　　Hannes 除遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)（DIP）之外的所有手指自由度都被實(shí)現(xiàn)；拇指表現(xiàn)出了不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，例如指間關(guān)節(jié)（IP）和 MCP 關(guān)節(jié)是鎖定的、向外展開(kāi)是受驅(qū)動(dòng)的、旋轉(zhuǎn)是被動(dòng)的。

　　如下圖 A 所示，患者可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)肌電 EMG 活動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)力的增加與減小，當(dāng)施加強(qiáng)烈的 EMG 激活時(shí)，Hannes 可在 0.25 秒內(nèi)迅速閉合，力量最大為 150 N。B 圖表明，Hannes 可在不到 1 秒的時(shí)間內(nèi)完成完全閉合。

　　為進(jìn)一步評(píng)估 Hannes 的有效性、可用性，三位患者參與了為期大約 2 周的試驗(yàn)，其中＃1 和＃2 參與者通過(guò) Hannes 的輔助，有較好的表現(xiàn)，執(zhí)行任務(wù)所需時(shí)間分別減少了約 10％ 和 30％。也就是說(shuō)，Hannes 已經(jīng)達(dá)到了完成日常生活活動(dòng)（ADLs）的要求。

從實(shí)驗(yàn)室步入市場(chǎng)

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，過(guò)去十年中，科學(xué)家們一直試圖設(shè)計(jì)功能和物理特性接近人手的假肢設(shè)備。其中，3D 掃描對(duì)側(cè)肢體和“累積制造技術(shù)”（additive manufacturing techniques）都是一些較為新穎的設(shè)計(jì)方法。

　　在研究團(tuán)隊(duì)看來(lái)，在眾多設(shè)備中，最為成功的落地產(chǎn)品分別是：

　　美國(guó)、德國(guó)科學(xué)家聯(lián)合設(shè)計(jì)的“米開(kāi)朗基羅之手”，2013 年開(kāi)始有患者安裝這種設(shè)備。

　　成立于 1919 年的德國(guó)假肢巨頭 Ottobock 設(shè)計(jì)的設(shè)備。

　　一家英國(guó)公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手，也是世界第一個(gè)商業(yè)化仿生手。

　　說(shuō)回仿生手 Hannes，目前它已獲 CE 標(biāo)志，也將進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng)。研究團(tuán)隊(duì)正在尋找投資人，希望開(kāi)始量產(chǎn)這種仿生手，造福更多患者。

　　但需要明確的是，雖然和實(shí)驗(yàn)室或市面上的一些假肢比起來(lái)，Hannes 的性能有不小的提升，但無(wú)疑它做出動(dòng)作的速度仍然低于人手，仿生手仍有很大的提升空間。