手的靈活度是體現(xiàn)人類以及人形機(jī)器人工作能力的關(guān)鍵指標(biāo)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(簡(jiǎn)稱中國(guó)科大)及合作者成功研發(fā)了一套具備19自由度的輕質(zhì)仿生靈巧手。它能復(fù)現(xiàn)人手級(jí)別的功能，不僅能提高人形機(jī)器人的靈巧操作能力，還有望為全球千萬(wàn)上肢截肢患者提供手部功能重建與日常生活輔助服務(wù)。
兼具靈巧和自由 重量?jī)H0.37千克
人的手具有23個(gè)自由度，雖然重量?jī)H約為人體重量的1/150，但是其運(yùn)動(dòng)功能占全身運(yùn)動(dòng)功能一半以上。研發(fā)假肢靈巧手能夠有效幫助上肢截肢者完成手勢(shì)表達(dá)、抓握及操作物體等任務(wù)，有效提升其生活自主性。
不過(guò)傳統(tǒng)的假肢靈巧手通常使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這使得患者在佩戴超過(guò)人手重量的靈巧手時(shí)感到嚴(yán)重不適。此外，自由度較低(通常少于10個(gè))的靈巧手僅能實(shí)現(xiàn)有限的抓握動(dòng)作，遠(yuǎn)不及人手的靈活性。這些原因?qū)е陆咏话氲幕颊叻艞壥褂眉僦`巧手。
因此，找到兼顧高自由度靈巧運(yùn)動(dòng)和舒適佩戴重量的設(shè)計(jì)方法，是假肢靈巧手領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題之一。
針對(duì)這些問(wèn)題，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)以高功重比形狀記憶合金(SMA)為人工肌肉驅(qū)動(dòng)，仿生設(shè)計(jì)出類肌腱傳動(dòng)系統(tǒng)，放大SMA的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)減小傳動(dòng)阻力。基于類肌腱分離傳動(dòng)特征，研究團(tuán)隊(duì)在手指及手腕內(nèi)嵌入23組傳感單元，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)精確運(yùn)動(dòng)控制。該假肢靈巧手還集成了包含冷卻模塊的38組陣列式SMA驅(qū)動(dòng)器，使其實(shí)現(xiàn)19自由度運(yùn)動(dòng)，完成的動(dòng)作更加靈活、自然。
值得一提的是，得益于仿生設(shè)計(jì)方法和高度集成方法，該假肢靈巧手僅重0.37千克，具備人手級(jí)別的靈巧操作能力，可完成諸如梳頭、寫(xiě)字、握手、遞名片和下棋等日常精細(xì)操作任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了佩戴舒適性、高自由度和精確可控。高集成形狀記憶合金還能確保假肢手的抓握能力，最大負(fù)載達(dá)2.5千克，滿足患者日常所需。
校企合作 實(shí)現(xiàn)聲控假肢
除了讓假肢兼具自由度和靈巧度，如何讓截肢患者更加方便地使用假肢手?研究團(tuán)隊(duì)想到將語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)植入假肢當(dāng)中。
據(jù)介紹，相比傳統(tǒng)的易受出汗、肌肉疲勞等因素干擾且需要反復(fù)標(biāo)定的肌電控制技術(shù)，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)允許患者直接將運(yùn)動(dòng)意圖通過(guò)語(yǔ)音輸入到假肢手中執(zhí)行，操作簡(jiǎn)單、普適性強(qiáng)、性能穩(wěn)定，極適于在截肢患者中普及。
通過(guò)與科大訊飛語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)讓假肢靈巧手具備了簡(jiǎn)單、友好且低成本的人機(jī)交互能力，支持60種語(yǔ)言和20種方言，具備95%的識(shí)別準(zhǔn)確率和毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。
在臨床測(cè)試中，一名60歲女性截肢患者僅用半天便熟練掌握該假肢靈巧手的使用，成功完成了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)假肢手功能評(píng)估實(shí)驗(yàn)中的代表性任務(wù)，比如抓握、操作，以及翻書(shū)、系扣等日常生活常見(jiàn)操作。
此外，該假肢靈巧手還展現(xiàn)了操作剪刀、使用手機(jī)以及復(fù)雜的手語(yǔ)手勢(shì)的能力，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)了傳統(tǒng)的33種人手抓握動(dòng)作，還可完成6種更高難度的新抓握動(dòng)作。未來(lái)投入應(yīng)用后，該假肢手有望為上肢截肢患者帶來(lái)更為自如的日常生活輔助服務(wù)。
責(zé)任編輯：陸迪
