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上海交大携手麻省理工打造充气式机械手,可为截肢者提供实时触觉控制

前瞻网    2021-08-18 11:02

对于全球500多万接受上肢截肢手术的人来说,义肢已经取得了长足的进步。除了传统的类似人体模型的附体,越来越多的商业神经义肢——高度关节的仿生肢体,通过设计来感知用户的残余肌肉信号,并自动模仿他们的预期动作。

但这种高科技的灵活性是有代价的。神经修复术的价格可能高达数万美元,它是围绕金属骨架建造的,配备的电动机可能又重又硬。

现在,麻省理工学院(MIT)和上海交通大学的工程师们设计了一种柔软、轻便、可能成本较低的神经假肢手。测试义肢的截肢者可以进行日常活动,比如拉行李箱的拉链、倒一盒果汁、抚摸一只猫,这和那些使用更刚性神经义肢的人一样好——在某些情况下甚至更好。

上海交大携手麻省理工打造充气式机械手,可为截肢者提供实时触觉控制

研究人员发现,设计有触觉反馈系统的假肢,可以恢复志愿者残肢的一些原始感觉。这种新设计还令人惊讶地耐用,在被锤子击中或被汽车碾过后能迅速恢复。

这只灵巧的手柔软而有弹性,重约半磅。它的部件总计约500美元——这只是更坚固智能假肢的重量和材料成本的一小部分。

麻省理工学院(MIT)机械工程和土木与环境工程教授Xuanhe Zhao表示:“这还不是一个产品,但其性能已经与现有的神经修复术相似或更好,这让我们感到兴奋。”“对于那些遭受截肢的低收入家庭来说,这种软假肢的成本非常低,这是有巨大潜力的。”

该团队柔软的新设计与动画电影《超能陆战队》(Big Hero 6)中的某种充气机器人惊人地相似。和这个黏糊糊的机器人一样,该团队的人造手也是由柔软、有弹性的材料制成的——在这个例子中,是商用弹性体EcoFlex。这个假体包括五个气球状的手指,每一个都嵌有纤维节段,类似于实际手指的关节骨。弯曲的手指连接着3D打印的“手掌”,形状像人手。

与大多数神经修复术使用安装的电机控制每根手指不同,研究人员使用了一个简单的气动系统来精确地给手指充气,并在特定位置弯曲它们。这个系统,包括一个小泵和阀门,可以戴在腰部,大大减少了假体的重量。

研究人员开发了一个计算机模型,将手指所需的位置与泵需要施加的相应压力联系起来。利用这个模型,研究小组开发了一个控制器,可以指导气动系统对手指进行充气,模拟五种常见的握法,包括将两根和三根手指捏在一起、握拳成球状和手掌成杯状。

气动系统接收来自肌电传感器的信号,肌电图传感器测量运动神经元产生的电信号来控制肌肉。传感器安装在假肢的开口处,连接到用户的肢体上。在这种安排下,传感器可以接收来自残肢的信号,比如当截肢者想象握拳的时候。

然后,该团队使用现有的算法“解码”肌肉信号,并将它们与常见的抓握类型联系起来。他们用这种算法为气动系统的控制器编写程序。

在他们的设计上更进一步,研究人员希望能使触觉反馈成为可能——这是大多数商业神经义肢所没有的功能。为了做到这一点,他们在每个指尖上缝合一个压力传感器,当触摸或挤压它时,它会产生与所感觉到的压力成比例的电信号。每个传感器都连接到截肢者残肢上的特定位置,这样用户就可以“感觉到”假肢的拇指被按下,而不是食指。

为了测试这只充气手,研究人员招募了两名志愿者,每人都进行了上肢截肢。一旦配备了神经义肢,志愿者们就学会了使用它,通过反复收缩手臂上的肌肉,同时想象做出五种常见的抓取动作。

在完成15分钟的训练后,志愿者们被要求进行一些标准化测试,以展示手的力量和灵巧度。这些任务包括叠棋盘、翻页、用笔写字、举起沉重的球,以及捡起草莓和面包等易碎物品。他们用一种更坚硬的商用仿生手重复了同样的测试,发现这种充气假肢在大多数任务中与刚性假肢一样好,甚至更好。

一名志愿者还能在日常活动中直观地使用软假体,例如吃饼干、蛋糕、苹果等食物,以及操作笔记本电脑、瓶子、锤子、钳子等物品和工具。这个志愿者也可以安全地操纵这个柔软的假体,比如和某人握手,触摸一朵花,抚摸一只猫。

在一项特别令人兴奋的实验中,研究人员蒙上志愿者的眼睛,发现他能分辨出他们戳和刷的是哪个假手指。他还能“感觉到”放置在假肢手上的不同大小的瓶子,并做出反应举起它们。该团队认为,这些实验是一个有希望的迹象,截肢者可以用充气手重新获得某种形式的感觉和实时控制。

该团队已经通过麻省理工学院(MIT)为这种设计申请了专利,并正在努力改善它的感知能力和运动范围。他们的研究成果发表在《自然·生物医学工程》上。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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