「不妥協」的仿生手登上《科學─機器人》封面!外觀極似人手,還能續航整天

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 01 日 12:00 | 分類 尖端科技 , 機器人 , 生物科技 Telegram share ! follow us in feedly


科幻片《艾莉塔:戰鬥天使》,26 世紀的女主角在垃圾場被發現並改造為機械身體,重生後戰鬥力驚人。

而 21 世紀的現實世界,遇到意外不得已截肢的患者裝上義肢繼續生活、工作的例子也常有。

近日有一款全新仿生手問世,仿照人手的關鍵特徴,使患者恢復 90% 以上手部功能,仿生手的複雜性、彈性和適應性都有新突破。

能使用剪刀和噴嘴。

也能準確完成拿取、放下動作。

登上《科學─機器人》封面

這支仿生手名為 Hannes,由義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所 INAIL 義肢中心的團隊研發。

9 月 23 日,研究團隊論文發表於《科學─機器人》(Science Robotics)期刊,題目為「The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand」(Hannes 手複製人手的關鍵生物特徴)。值得一提的是,這篇論文也登上最新《科學─機器人》封面,看上去科技感十足。

論文介紹,要把義肢做到和人手能力相當、效率相當的地步,並非易事。

正如研究團隊所說:

義肢仍然只是工具,無法替代患者失去的身體部分的生理功能。

一直以來,科學家設計義肢,主要參考的關鍵因素有這樣幾種:

  • 運動學、大小、重量和外觀等「擬人」特徵。
  • 速度、力量和彈性等效能。
  • 穩定、有協調性的抓握能力。

現實是,即便由患者殘肢肌肉的電訊號控制、有好幾個靈活自由度的最先進義肢,也無法和人手的複雜性、彈性和適應性相比。由於效能不佳,義肢廢棄率居高不下。

研究團隊希望打造更接近人手特徵的裝置──但某些科學團隊曾主張,認為可權衡取捨上述關鍵因素,但義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所 INAIL 義肢中心研究團隊的看法是:任何特徴都不該放棄,應遵循不妥協的整體設計。

以這種設計理念為指導,仿生手 Hannes 在研究人員、患者、整形外科醫生和工業設計師的共同努力下問世──設計理念還獲得義大利 Compasso d’Oro 國際工業設計獎。

高度「擬人化」的 Hannes

看看仿生手 Hannes 有哪些特別之處吧。Hannes 由三大主要互動套件組成:

  • 一個肌電多關節義肢,採用基於差動機構的欠驅動架構。
  • 被動屈伸(F / E)手腕模組。
  • 肌電介面/控制器,包括兩個表面肌電(sEMG)感測器、電池組和控制電子元件。

參考下面酷酷的圖示:A 部分展示直流電機和電機控制板內嵌於 Hannes,肌電介面/控制器位於插座內, F / E 手腕位於兩者之間;B 部分是戴上手套的 Hannes。

且 Hannes 電力來源的電池組續航可長達一整天。不使用 Hannes 時,用戶可用磁性插頭連線器充電。控制器可向手傳送隨肌肉啟動比例增加的速度參考,因此這套裝置可針對不同患者調整控制參數,精準輔助每位患者的運動和力量控制。

Hannes 手掌和手指部分大小如下,研究團隊將它和人手中位數資料(虛線)比較。

可看出 Hannes 高度「擬人化」──與人手最大的差異是中指,數值為 4.8%。

Hannes 除遠端指間關節(DIP)外所有手指自由度都和人手類似;拇指表現不同的運動學特徴,例如指間關節(IP)和 MCP 關節鎖定、向外展開受驅動、旋轉被動。

如下圖 A 所示,患者可透過適當調節肌電 EMG 活動來調節力度增加與減小,當施加強烈的 EMG 啟動時,Hannes 可在 0.25 秒內迅速閉合,力量最大為 150N。B 圖表明,Hannes 完全閉合不到 1 秒。

為進一步評估 Hannes 的有效性、可用性,有 3 位患者參與為期約 2 週的測試,1 號和 2 號參與者透過 Hannes 輔助有較好表現,執行工作所需時間分別減少約 10% 和 30%。也就是說,Hannes 有達到日常生活活動(ADLs)的要求。

從實驗室步入市場

研究團隊表示,過去十年科學家一直嘗試設計功能和物理特徴接近人手的義肢。3D 掃描對側肢體和「累積製造技術」(additive manufacturing techniques)都是較新穎的設計。

在研究團隊看來,眾多裝置中,最成功的落地產品分別是:

美國、德國科學家聯合設計的「米開朗基羅之手」,2013 年開始有患者安裝。

成立於 1919 年的德國義肢巨頭 Ottobock 設計的裝置。

英國公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手,也是世界第一支商業化仿生手。

說回 Hannes,目前已獲 CE 標誌,也將進入醫療市場。研究團隊正在找尋投資人,希望能量產造福更多患者。

雖然和實驗室或市面義肢比起來,Hannes 效能有不小提升,但做動作的速度仍比人手慢,仿生手仍有很大的提升空間。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:INAIL

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