讓截肢者能握拳、能擼貓，MIT 和上海交大發明充氣機械手，還擁有觸覺

阿新 • • 發佈：2021-08-20

8 月 20 日訊息，麻省理工學院和上海交通大學的工程師設計了一種柔軟、輕便且低成本的神經假肢手。這是一款充氣的機械手，名叫 EcoFlex。殘疾人裝上它之後可以利用自身的肌肉訊號控制這隻機械手，做出拉拉鍊、握手等動作，甚至還可以“擼貓”。

研究者稱，EcoFlex 的重量僅有 292 克重，且與傳統的可由肌肉訊號控制的假肢相比成本大大下降，成本總計約 500 美元（約合人民幣 3240 元）。

該研究於 8 月 16 日發表在 Nature 子刊《自然-生物醫學工程（Nature Biomedical Engineering）》上，論文題目為《提供同步肌電控制和觸覺反饋的柔軟神經假肢手（A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback）。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0

01.比傳統假肢更輕更便宜新軟體假肢只要 3 千多元

目前世界上有超過 500 萬人接受過截肢手術，市面上對於假肢的需求較為龐大。假肢技術已經取得了長足的進步，除了有類似於肢體模型的假肢存在外，還有越來越多的商業神經假肢。

神經假肢這種仿生肢體可以感知殘疾人的肌肉訊號，並做出他們想要作的動作。這種假肢聽起來相當科幻，但是這種高科技帶來的靈巧性是有代價的。神經假肢的價格可能高達上萬美元，並且它是利用金屬骨架打造的，再加上驅動它的電機，整個假肢又重又硬。

為了讓神經假肢更靈活輕便，並降低製造成本，麻省理工學院和上海交通大學的工程師們設計出了一種柔軟、輕便的神經假肢手。他們將這種假肢手命名為 EcoFlex。

EcoFlex 由柔軟、有彈性的材料製成，並且靠充氣驅動。它的重量僅有 292 克，並且它的元件總計價格只有大約 500 美元（約合人民幣 3240 元）。

研究人員還為它裝上了觸覺反饋系統，可以讓假肢與人類的手一樣擁有觸覺。截肢者戴上 EcoFlex 後可以實現一些日常活動，如拉拉鍊、倒果汁等。在某些情況下，EcoFlex 的表現甚至比傳統的金屬假肢還要好。

研究者還發現，這種新設計的假肢手不僅重量輕、成本低還非常耐用，被錘子敲擊甚至被汽車碾壓後都能夠迅速恢復。

麻省理工學院機械工程和土木與環境工程教授 Xuanhe Zhao 說：“這還不是一個完整的產品，但是它所表現出來的效能已經接近甚至優於現在市面上存在的神經假肢，這讓我們感到興奮。製作這種假肢的成本非常低，對於低收入家庭的截肢者來說，有很大的應用潛力。”

02.EcoFlex 由氣體驅動研究者還讓它擁有觸覺

與其他軟體機器人類似，EcoFlex 由柔軟、有彈性的材料製成。該假肢包括五個氣球狀的手指，每個手指都嵌入了纖維段，類似於人類手指上的關節骨。彎曲的軟體手指連線到了一個 3D 列印的“手掌”之上。

EcoFlex 不像市面上大多數的神經假肢那樣讓電機控制每個手指，而是使用一個簡單的氣動系統來精確的給手指充氣，讓它們可以在特定的位置彎曲或伸直。

該氣動系統包括一個小型氣泵和閥門，可以佩戴在腰部，有效地減輕了假肢本身的重量。

麻省理工學院博士後 Shaoting Lin 開發了一個計算機模型，將手指的彎曲程度與氣泵施加的相應的力相關聯。使用這個模型，該團隊開發了一個控制器，可以指導氣動系統為手指充氣，以此實現常見的抓握動作，比如兩個或三個手指捏在一起、握拳、握手等。

▲ 志願者嘗試控制假肢握拳

當人們想做出某種動作的時候，運動神經元會產生電訊號以控制肌肉，該團隊用現有演算法解碼肌電訊號，並將其與常見的抓握型別相關聯。氣動系統正是通過與截肢者肢體相連的肌電感測器來接受這種訊號，並以此控制神經假肢。

比如，當截肢者想象自己拿著酒杯時，感測器就會接收到其肌電訊號，然後控制器將其轉換為相應的壓力值。氣泵會根據這些壓力值來使每個手指關節產生相應的膨脹而彎曲，以此實現截肢者想要的抓握動作。

僅僅能實現抓握還不夠，研究者希望能夠讓 EcoFlex 擁有觸覺反饋，這是大多數商業神經假肢中沒有的功能。

為此，它們在每個指尖上安裝了一個壓力感測器，當觸控或擠壓到該感測器時，會產生與其感受到的壓力成正比的電訊號。每個感測器都與截肢者殘肢的特定位置相連，比如當假肢的拇指被按壓時，截肢者就可以感受到代表拇指的位置受到相應力度的刺激。

03.僅培訓 15 分鐘就能使用志願者甚至還能“擼貓”

為了測試 EcoFlex，研究人員招募了兩名上肢截肢的志願者。經過 15 分鐘的培訓後，志願者被要求進行一系列的標準化測試。這些測試任務包括壘棋子、翻頁、寫字、舉起較重的球體、撿起地上的草莓及麵包等。

研究者同樣讓志願者使用市面上用堅硬材料製作的仿生手進行了相同的測試，結果發現 EcoFlex 在大多數任務上和這些傳統仿生手效果不相上下，甚至在某些任務上表現更好。

一名志願者用上 EcoFlex 之後能夠在日常生活中輕鬆的使用它，比如可以用來吃餅乾、蛋糕、蘋果等食物，也能使用膝上型電腦、瓶子、錘子、鉗子等工具，甚至還能與人握手和“擼貓”。

▲ 志願者在“擼貓”

在另外一項測試中，研究人員矇住了志願者的眼鏡，發現他們可以辨別出來研究人員是在戳他們的假手指還是在撫摸他們的假手指。研究者還發現他們能夠“感覺”到放置在假手中不同大小的瓶子的區別。

這些試驗表明截肢者可以利用 EcoFlex 重新獲得某種形式上的觸覺，也能利用 EcoFlex 來控制物體。

該團隊已經通過麻省理工學院為該設計申請了專利，並在努力改進其感測和運動範圍。“我們現在可以實現的抓我型別還是太少，接下來將通過更好的解碼技術、更高密度的肌電陣列和可以戴在手腕上的更緊湊的氣泵來改進 EcoFlex。我們還想做出可批量生產的設計，這樣我們就可以利用這一技術造福社會。”Xuanhe Zhao 說。