可恢复90%手部功能!自定参数实现精确抓握,“汉尼斯”仿生手登Science子刊封面

生物医学
可恢复90%手部功能!自定参数实现精确抓握,“汉尼斯”仿生手登Science子刊封面
麻省理工科技评论 2020-11-08

2020-11-08

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。
医疗 生物
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。

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,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。

可恢复90%手部功能!意大利仿生手登Science子刊封面

图 | 汉尼斯仿生手

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。

可恢复90%手部功能!意大利仿生手登Science子刊封面

图 | 用汉尼斯干活、用剪刀、拿电钻

戴上它,可以拿起钢球。

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还能抓握住圆柱形物体,如伞柄等。

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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,如下图所示,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,B 部分是带上手套的汉尼斯。

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图 | 汉尼斯手的内部架构、外形和可以执行的动作

下图 A 是它的 3D 视图,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。

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图 | 汉尼斯的 3D 视图

它的的工作原理是,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。

下图是它的机电构造采用机械设计,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。

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图 | 汉尼斯的机电构造图

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。

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图 | 汉尼斯和人手的协同对比

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%。如下图所示,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。

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图 | 汉尼斯和人手的对比

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。

下面两张图展示了上述过程,图 A 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。

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图 | 汉尼斯的闭合程度

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。

可恢复90%手部功能!意大利仿生手登Science子刊封面

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。

可恢复90%手部功能!意大利仿生手登Science子刊封面

图 | 汉尼斯的人体测量

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%。

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图 | 三位测试用户

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的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(一个 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》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。

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