上海交大和MIT提出的软性机械手，可提供实时的触觉控制

上海交通大学与麻省理工学院的研究人员联合设计了一款可充气智能手柔软且富有弹性的神经假肢。该款神经假手不仅低成本，而且也很轻便，重约半磅（约227克），外观如同《超能陆战队》中的大白。

对于很多接受过上肢截肢的人来说，假肢已经取得了长足的进步。然而高科技的灵巧的神经义肢的成本往往很高，而且是围绕着金属骨架建造的，配备的电机可能很重而且很僵硬。

最近，上海交通大学和麻省理工学院的研究人员已经设计出一种柔软、轻便、低成本的神经义肢。研究人员让截肢者穿戴这种假肢，对截肢者穿戴了这些假肢进行日常活动的测试，例如拉行李箱的拉链、倒果汁和抚摸猫，测试结果显示，受试者穿上这种柔软假肢进行活动与使用更坚硬的神经义肢的人一样好，而且在某些情况下比他们执行的更好。该研究发表于《Nature Biomedical Engineering》。

研究人员发现，他们设计的这种带有触觉反馈系统的假肢可以恢复受试者残肢的一些原始感觉。研究者表示，这款假手的设计不仅新颖还非常耐用，在被锤子敲击或被汽车碾压后能迅速恢复。

参与该项目的Zhao教授表示：“这还不是产品，但其性能已经与现有的神经假肢相似或优于它们了，我们对此感到很兴奋。”他还表示，“对于遭受截肢之苦的低收入家庭来说，这些软假肢的成本非常低，潜力巨大。”

该团队设计的这款柔软的神经假手与动画片《超能陆战队》中的充气机器人大白有着惊人的相似。该团队设计的神经假手由柔软、有弹性的材料制成，即商业弹性体EcoFlex。该假肢有五根气球状的手指，每个手指上都嵌有纤维段，类似于实际手指上的铰接骨。这些弯曲的手指与一个由3D打印的“手掌”相连，形状像人的手。

软性神经假肢的设计与操作

研究人员没有像大多数神经假肢那样使用安装好的电机来控制每个手指，而是使用了一个简单的气动系统来精确地给手指充气并将它们弯曲到特定的位置。这个系统，包括一个小泵和阀门，可以穿在腰间，大大减轻了假肢的重量。

研究人员开发了一个计算机模型，利用这个模型将手指的理想位置与气泵达到该位置所需施加的相应压力联系起来。该团队还开发了一个控制器，可指导气动系统在模仿五种常见的抓握方式下给手指充气，包括将两个和三个手指捏在一起，握成拳头，和捧手的姿势。

气动系统接收来自肌电图传感器的信号，该传感器测量运动神经元产生的电信号以控制肌肉。这些传感器安装在假肢的开口处，即它与用户的肢体相连的地方。在这种布置下，传感器可以接收来自残肢的信号，例如，当截肢者想象握拳时。

然后，该团队使用一种现有的算法，对肌肉信号进行 “解码”，并将其与常见的抓握类型联系起来。他们用这种算法为他们的气动系统的控制器编程。例如，当截肢者想象拿着一个酒杯时，传感器会接收到残余的肌肉信号，然后控制器将其转化为相应的压力。最后，泵将这些压力用于给每个手指充气，并产生截肢者的预期抓握力。

研究人员在设计中更进一步，希望能够实现触觉反馈——这是大多数商业神经假肢所不具备的功能。为了做到这一点，他们在每个指尖都缝制了一个压力传感器，当触摸或挤压时，会产生一个与感应到的压力成正比的电信号。每个传感器都被连接到截肢者残肢上的特定位置，因此用户可以“感觉”到假肢的拇指何时被按下。

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实验测试

在实验中，研究人员招募了两名上肢截肢的志愿者。志愿者们佩戴了神经假肢后，通过反复收缩手臂肌肉，同时想象进行五种常见的抓握动作来学习使用它。

在完成这15分钟的训练后，志愿者们被要求进行一些标准化的测试，以展示手部力量和灵活性。这些任务包括叠放棋子、翻页、握笔写字、举起重球，以及拿起像草莓和面包这样的易碎物品。他们用一只更坚硬的假手重复了同样的测试，发现充气假肢在大多数任务中与硬质假肢一样好，甚至更好。

截肢者佩戴软性神经假肢，恢复日常活动中的多种手部功能

一名志愿者还能够在日常活动中使用这款假肢，例如吃饼干、蛋糕和苹果等食物，以及处理如笔记本电脑、瓶子、锤子和钳子等物品和工具。这名志愿者利用该假体与人互动，例如与人握手，还可以做一些比较细腻的动作如触摸花朵，抚摸小猫等。

在一项特别令人兴奋的练习中，研究人员蒙住了受试者者的眼睛和屏蔽声音，发现受试者能辨别出哪根假肢手指被戳和刷。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。该团队将这些实验视为一个有希望的迹象，表明截肢者可以通过充气手重新获得某种形式的感觉和实时控制。

研究人员表示：”我们现在有四种抓握类型。还可以有更多，这种设计可以改进，采用更好的解码技术，更高密度的肌电阵列，以及可以戴在手腕上的更紧凑的泵。我们还想为大规模生产定制设计，因此我们可以将软体机器人技术转化以造福社会。“

参考
Gu, G., Zhang, N., Xu, H. et al. A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback. Nat Biomed Eng (2021).
https://doi.org/10.1038/s41551-021-00767-0
https://medicalxpress.com/news/2021-08-inflatable-robotic-amputees-real-time-tactile.html
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