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“不妥協(xié)”的仿生手登上《科學(xué)-機(jī)器人》封面!外觀高度類似人手,續(xù)航一整天

作者: 時間:2020-09-28 來源:雷鋒網(wǎng) 收藏

   科幻動作片《阿麗塔:戰(zhàn)斗天使》中,26 世紀(jì)的女主在垃圾場被發(fā)現(xiàn)并改造為機(jī)械身體,重獲新生后戰(zhàn)斗力驚人。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202009/418867.htm

“不妥協(xié)”的仿生手登上《科學(xué)-機(jī)器人》封面!外觀高度類似人手,續(xù)航一整天

  而在 21 世紀(jì)的現(xiàn)實世界,遭遇意外不得已截肢的患者安裝假肢繼續(xù)生活、工作的例子也的確存在。

  近日,有這樣一款全新的問世,它仿照了人手的關(guān)鍵特性,可使患者恢復(fù) 90% 以上功能,在復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性方面有了新突破。

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  可以使用剪刀和噴壺。

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  也能準(zhǔn)確完成抓取-放置任務(wù)。

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登上《科學(xué)-》封面

  這種被稱為 Hannes,由來自意大利理工學(xué)院和意大利國家工傷保險研究所 INAIL 假肢中心的科學(xué)家團(tuán)隊研制。

  2020 9 23 日,研究團(tuán)隊的論文發(fā)表于《科學(xué)-》(Science Robotics),題為 The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human handHannes 手復(fù)制了人手的關(guān)鍵生物特性)。

  值得一提的是,這篇論文也登上了最新一期《科學(xué)-》雜志封面,看上去科技感十足。

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  論文介紹,要想把一款假肢做到和人手能力一致、效率相當(dāng)?shù)牡夭?,并非易事?/span>

  正如研究團(tuán)隊所說:

  假肢仍然只是一種工具,無法代替患者失去的那一部分所提供的生理功能。

  一直以來,科學(xué)家們設(shè)計假肢裝置,主要參考的關(guān)鍵因素有這樣幾種:

  包括運(yùn)動學(xué)、尺寸、重量和外觀在內(nèi)的「擬人」特征;

  速度、力量和靈活性等性能;

  穩(wěn)定、有協(xié)調(diào)性的的抓握能力。

  而現(xiàn)實是,即便是由患者殘肢肌肉的電信號控制的、具有好幾個靈活自由度的最為先進(jìn)的假肢,也無法達(dá)到人手的復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性。由于性能不佳,假肢廢棄率居高不下。

  因此,研究團(tuán)隊希望打造一款出更趨近于人手特征的設(shè)備——實際上一些科學(xué)團(tuán)隊曾提出主張,認(rèn)為可以在上述關(guān)鍵因素中做取舍、進(jìn)行權(quán)衡,但意大利理工學(xué)院和意大利國家工傷保險研究所 INAIL 假肢中心的研究團(tuán)隊的看法是:任何特性都不該忽略,應(yīng)該遵循一種不妥協(xié)的整體設(shè)計方法。

  以這種設(shè)計理念為指導(dǎo),仿生手 Hannes 在科研人員、患者、整形外科醫(yī)生和工業(yè)設(shè)計師的共同努力下問世——其設(shè)計理念還被授予了意大利 Compasso d'Oro 國際工業(yè)設(shè)計獎。

高度「擬人化」的 Hannes

  來具體看看仿生手 Hannes 有哪些特別之處。

  Hannes 由三大主要的交互組件組成:

  一個肌電多關(guān)節(jié)假肢,采用了基于差動機(jī)構(gòu)的欠驅(qū)動結(jié)構(gòu);

  被動屈伸(F/E)手腕模塊;

  肌電接口/控制器,包括兩個表面肌電(sEMG)傳感器、電池組和控制電子元件。

  可以參考下面這張酷酷的圖示——A 部分展示的是,直流電機(jī)和電機(jī)控制板內(nèi)嵌于 Hannes 中,而肌電接口/控制器則位于插座內(nèi),而 F / E 手腕位于二者之間;B 部分是帶上手套的 Hannes

  這里值得一提的是,用于 Hannes 供電的電池組續(xù)航長達(dá)一整天。當(dāng)不使用 Hannes 時,用戶可以利用磁性插頭連接器為電池充電??刂破骺梢韵蚴职l(fā)送隨肌肉激活比例增加的速度參考,因此這套設(shè)備可以針對不同患者調(diào)整控制參數(shù),實現(xiàn)對每位患者精確的運(yùn)動和力量輔助。

“不妥協(xié)”的仿生手登上《科學(xué)-機(jī)器人》封面!外觀高度類似人手,續(xù)航一整天“不妥協(xié)”的仿生手登上《科學(xué)-機(jī)器人》封面!外觀高度類似人手,續(xù)航一整天

  Hannes 手掌和手指部分的尺寸如下,研究團(tuán)隊拿它和人手中位數(shù)數(shù)據(jù)(虛線水平)進(jìn)行了比較。

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  可以看出,Hannes 顯示出了極高的「擬人化」——與人手最大的差異體現(xiàn)在中指,差值為 4.8%

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  Hannes 除遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)(DIP)之外的所有手指自由度都被實現(xiàn);拇指表現(xiàn)出了不同的運(yùn)動學(xué)特性,例如指間關(guān)節(jié)(IP)和 MCP 關(guān)節(jié)是鎖定的、向外展開是受驅(qū)動的、旋轉(zhuǎn)是被動的。

  如下圖 A 所示,患者可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)肌電 EMG 活動來調(diào)節(jié)力的增加與減小,當(dāng)施加強(qiáng)烈的 EMG 激活時,Hannes 可在 0.25 秒內(nèi)迅速閉合,力量最大為 150 NB 圖表明,Hannes 可在不到 1 秒的時間內(nèi)完成完全閉合。

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  為進(jìn)一步評估 Hannes 的有效性、可用性,三位患者參與了為期大約 2 周的試驗,其中#1 和#2 參與者通過 Hannes 的輔助,有較好的表現(xiàn),執(zhí)行任務(wù)所需時間分別減少了約 10% 和 30%。也就是說,Hannes 已經(jīng)達(dá)到了完成日常生活活動(ADLs)的要求。

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從實驗室步入市場

  研究團(tuán)隊表示,過去十年中,科學(xué)家們一直試圖設(shè)計功能和物理特性接近人手的假肢設(shè)備。其中,3D 掃描對側(cè)肢體和“累積制造技術(shù)”(additive manufacturing techniques)都是一些較為新穎的設(shè)計方法。

  在研究團(tuán)隊看來,在眾多設(shè)備中,最為成功的落地產(chǎn)品分別是:

  美國、德國科學(xué)家聯(lián)合設(shè)計的“米開朗基羅之手”,2013 年開始有患者安裝這種設(shè)備。

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  成立于 1919 年的德國假肢巨頭 Ottobock 設(shè)計的設(shè)備。

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  一家英國公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手,也是世界第一個商業(yè)化仿生手。

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  說回仿生手 Hannes,目前它已獲 CE 標(biāo)志,也將進(jìn)入醫(yī)療市場。研究團(tuán)隊正在尋找投資人,希望開始量產(chǎn)這種仿生手,造福更多患者。

  但需要明確的是,雖然和實驗室或市面上的一些假肢比起來,Hannes 的性能有不小的提升,但無疑它做出動作的速度仍然低于人手,仿生手仍有很大的提升空間。



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