智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 健恩
編輯 | 高歌
智東西8月20日消息，麻省(sheng)理(li)工(gong)學院和上海交(jiao)通大學的(de)(de)(de)工(gong)程(cheng)師設計(ji)了(le)一(yi)種(zhong)柔軟(ruan)、輕便且低成本(ben)的(de)(de)(de)神經(jing)假肢(zhi)手(shou)。這是一(yi)款充氣的(de)(de)(de)機械手(shou)，名(ming)叫EcoFlex。殘疾人(ren)裝上它之后可(ke)以(yi)利(li)用自身的(de)(de)(de)肌(ji)肉信號控制這只機械手(shou)，做出拉拉鏈(lian)、握手(shou)等(deng)動作，甚至還可(ke)以(yi)“擼貓”。
研究者(zhe)稱，EcoFlex的(de)(de)重量僅有292克(ke)重，且(qie)與傳統的(de)(de)可(ke)由肌肉信號控制的(de)(de)假肢相比成本(ben)大(da)大(da)下降，成本(ben)總計約500美元（約合人民(min)幣(bi)3240元）。
該(gai)研(yan)究于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(mu)為《提供同步肌電(dian)控制和觸覺反饋的柔軟神經(jing)假肢(zhi)手（A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback）。
論文(wen)鏈接(jie)：//www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0
一、比傳(chuan)統(tong)假肢(zhi)更輕更便宜，新軟體假肢(zhi)只要3千多元
目(mu)前世界(jie)上(shang)有超(chao)過500萬人接受(shou)過截肢手(shou)術，市面(mian)上(shang)對于假(jia)肢的需(xu)求較為龐大。假(jia)肢技(ji)術已(yi)經取得了(le)長足的進步，除了(le)有類似于肢體模型的假(jia)肢存在(zai)外，還(huan)有越來(lai)越多的商(shang)業神經假(jia)肢。
神經(jing)假(jia)肢這種(zhong)仿生肢體可以(yi)感知殘疾人的(de)肌肉信號，并做(zuo)出(chu)他(ta)們(men)想要作的(de)動作。這種(zhong)假(jia)肢聽起(qi)來相當(dang)科幻(huan)，但(dan)是這種(zhong)高科技帶來的(de)靈(ling)巧(qiao)性是有(you)代價的(de)。神經(jing)假(jia)肢的(de)價格可能(neng)高達上萬美元，并且它(ta)是利用金屬(shu)骨架打造的(de)，再加上驅動它(ta)的(de)電(dian)機(ji)，整個假(jia)肢又重又硬。
為(wei)了讓神經假肢更靈活輕(qing)便，并降低制(zhi)造(zao)成(cheng)本，麻省(sheng)理工學院和上海(hai)交通大學的工程師們(men)設計出了一種(zhong)柔軟、輕(qing)便的神經假肢手。他們(men)將這種(zhong)假肢手命名(ming)為(wei)EcoFlex。
EcoFlex由柔軟、有彈性的(de)材料(liao)制成，并(bing)且(qie)靠(kao)充(chong)氣驅動。它(ta)的(de)重量僅有292克，并(bing)且(qie)它(ta)的(de)組件總(zong)計價格只有大約500美元（約合(he)人(ren)民幣3240元）。
研究人(ren)員還為它裝上(shang)了觸覺(jue)反饋系統，可(ke)以(yi)(yi)讓假肢與人(ren)類的(de)(de)手一(yi)樣擁有觸覺(jue)。截肢者戴(dai)上(shang)EcoFlex后可(ke)以(yi)(yi)實現(xian)一(yi)些日(ri)常活動，如拉拉鏈(lian)、倒果汁等。在某些情況下，EcoFlex的(de)(de)表(biao)現(xian)甚至(zhi)比(bi)傳(chuan)統的(de)(de)金(jin)屬假肢還要好。
研究者(zhe)還(huan)發現，這種新設計的假(jia)肢手不僅重(zhong)量輕、成(cheng)本低還(huan)非(fei)常(chang)耐用，被錘子敲擊甚至被汽車碾壓后都(dou)能夠迅速恢復。
麻省(sheng)理(li)工(gong)(gong)學(xue)院(yuan)機械工(gong)(gong)程和(he)土木與環境工(gong)(gong)程教授Xuanhe Zhao說(shuo)：“這(zhe)(zhe)還不是一個完整(zheng)的產品，但(dan)是它所表現(xian)出來的性能已經接近甚至優(you)于現(xian)在市面(mian)上存在的神經假肢，這(zhe)(zhe)讓我們感(gan)到興奮。制作這(zhe)(zhe)種假肢的成本非(fei)常低(di)(di)，對于低(di)(di)收(shou)入家庭的截(jie)肢者來說(shuo)，有很大(da)的應用潛力。”
二、EcoFlex由氣體驅動，研究者(zhe)還(huan)讓它擁(yong)有觸覺
與其他軟體機器人類(lei)似，EcoFlex由柔軟、有(you)彈性的(de)(de)材料制成。該假肢包括五(wu)個氣球狀的(de)(de)手(shou)指(zhi)，每個手(shou)指(zhi)都嵌入了纖維段，類(lei)似于人類(lei)手(shou)指(zhi)上的(de)(de)關(guan)節骨。彎曲的(de)(de)軟體手(shou)指(zhi)連接到了一個3D打(da)印的(de)(de)“手(shou)掌(zhang)”之上。
EcoFlex不像市面上大多數的神經假肢那(nei)樣讓(rang)電機控制每個手(shou)指，而是使用一個簡單的氣(qi)動(dong)系統(tong)來精確的給手(shou)指充氣(qi)，讓(rang)它們(men)可(ke)以在特定的位置彎曲或(huo)伸直。
該氣(qi)動系統(tong)包括一個(ge)小(xiao)型氣(qi)泵和(he)閥門，可以佩戴在腰部，有效地減輕(qing)了假肢本身(shen)的重量(liang)。
麻省理工學院(yuan)博(bo)士后Shaoting Lin開發了一個(ge)(ge)(ge)計算機(ji)模(mo)(mo)型(xing)，將手指的(de)彎曲程度(du)與氣泵(beng)施加的(de)相應(ying)的(de)力相關聯。使用這個(ge)(ge)(ge)模(mo)(mo)型(xing)，該(gai)團(tuan)隊開發了一個(ge)(ge)(ge)控制(zhi)器，可以指導氣動系統為手指充氣，以此實現常(chang)見的(de)抓握(wo)動作(zuo)，比如兩個(ge)(ge)(ge)或三個(ge)(ge)(ge)手指捏在一起、握(wo)拳、握(wo)手等。
▲志愿者嘗試控制(zhi)假肢(zhi)握(wo)拳(quan)
當人們想做出某種動作的(de)時候(hou)，運動神經(jing)元會產(chan)生電信號以(yi)控制肌(ji)肉，該團隊(dui)用現有算法(fa)解碼肌(ji)電信號，并(bing)將其(qi)與常見的(de)抓握類型相(xiang)關聯。氣動系統正是(shi)通(tong)過與截肢(zhi)者肢(zhi)體(ti)相(xiang)連的(de)肌(ji)電傳感器(qi)來接(jie)受這種信號，并(bing)以(yi)此控制神經(jing)假(jia)肢(zhi)。
比如(ru)，當截肢者想象自己拿著酒(jiu)杯(bei)時(shi)，傳感器就(jiu)會接(jie)收到(dao)其肌電(dian)信號，然后控(kong)制器將其轉換(huan)為(wei)相應的(de)壓力值。氣泵會根據這些壓力值來使每個手(shou)指關節產生相應的(de)膨脹(zhang)而(er)彎(wan)曲，以此實現截肢者想要(yao)的(de)抓握(wo)動作。
僅(jin)僅(jin)能實現抓(zhua)握還不夠，研(yan)究者希望能夠讓EcoFlex擁(yong)有觸覺反饋，這是大多數商業神經(jing)假肢中沒有的功能。
為(wei)此，它們在每個(ge)(ge)指(zhi)尖上安裝了一個(ge)(ge)壓(ya)(ya)力傳感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)，當觸摸(mo)或擠(ji)壓(ya)(ya)到(dao)(dao)該傳感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)時(shi)(shi)，會(hui)產生與(yu)其感(gan)(gan)(gan)(gan)受(shou)(shou)到(dao)(dao)的(de)(de)壓(ya)(ya)力成正比的(de)(de)電信號。每個(ge)(ge)傳感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)都與(yu)截肢者(zhe)殘(can)肢的(de)(de)特定(ding)位置相連，比如(ru)當假肢的(de)(de)拇指(zhi)被(bei)按(an)壓(ya)(ya)時(shi)(shi)，截肢者(zhe)就可以感(gan)(gan)(gan)(gan)受(shou)(shou)到(dao)(dao)代表(biao)拇指(zhi)的(de)(de)位置受(shou)(shou)到(dao)(dao)相應(ying)力度(du)的(de)(de)刺激。
三(san)、僅培(pei)訓15分鐘就(jiu)能使用，志(zhi)愿者甚至還能“擼貓(mao)”
為了測試EcoFlex，研究人員招募了兩(liang)名上肢截肢的(de)(de)志愿(yuan)者。經(jing)過15分鐘(zhong)的(de)(de)培訓后，志愿(yuan)者被要(yao)求進行一系列(lie)的(de)(de)標準化測試。這些測試任務包括壘(lei)棋子、翻頁、寫字、舉起較重的(de)(de)球(qiu)體、撿起地(di)上的(de)(de)草(cao)莓及面包等。
研究者(zhe)同樣讓志(zhi)愿者(zhe)使(shi)用市面上用堅(jian)硬(ying)材(cai)料制作的(de)仿(fang)生手進行了相(xiang)(xiang)同的(de)測試，結果(guo)(guo)發現(xian)EcoFlex在(zai)大多(duo)數任務上和(he)這些傳統仿(fang)生手效(xiao)果(guo)(guo)不相(xiang)(xiang)上下，甚至(zhi)在(zai)某些任務上表現(xian)更(geng)好。
一(yi)名志愿者(zhe)用上EcoFlex之后能(neng)夠在日常生活(huo)中輕松的使用它，比如可以(yi)用來吃餅干、蛋糕、蘋(pin)果等食(shi)物，也能(neng)使用筆(bi)記本電腦(nao)、瓶(ping)子(zi)、錘子(zi)、鉗子(zi)等工具，甚至還能(neng)與人握手和“擼(lu)貓(mao)”。
▲志愿者在“擼貓”
在(zai)另外一項(xiang)測試(shi)中，研(yan)究(jiu)人員(yuan)蒙住了志愿(yuan)者的眼鏡，發(fa)現他(ta)們可以辨別出來(lai)研(yan)究(jiu)人員(yuan)是在(zai)戳(chuo)他(ta)們的假(jia)手(shou)指還是在(zai)撫摸他(ta)們的假(jia)手(shou)指。研(yan)究(jiu)者還發(fa)現他(ta)們能夠“感(gan)覺”到放置(zhi)在(zai)假(jia)手(shou)中不同大小的瓶(ping)子(zi)的區(qu)別。
這些試(shi)驗表(biao)明截肢者可以利用EcoFlex重(zhong)新獲得某種形式上的觸(chu)覺(jue)，也能利用EcoFlex來控(kong)制物體。
該團隊已經通(tong)(tong)過(guo)麻省(sheng)理工學院為該設計(ji)申請了專利，并在努(nu)力改進(jin)(jin)其傳感和(he)運動范(fan)圍(wei)。“我(wo)們現(xian)在可(ke)以(yi)實現(xian)的(de)(de)抓我(wo)類型還是太少(shao)，接下來將(jiang)通(tong)(tong)過(guo)更(geng)(geng)好的(de)(de)解碼技術(shu)、更(geng)(geng)高密度的(de)(de)肌電陣列(lie)和(he)可(ke)以(yi)戴(dai)在手腕上的(de)(de)更(geng)(geng)緊湊的(de)(de)氣泵來改進(jin)(jin)EcoFlex。我(wo)們還想做出可(ke)批(pi)量生(sheng)產(chan)的(de)(de)設計(ji)，這樣我(wo)們就可(ke)以(yi)利用這一(yi)技術(shu)造福社會。”Xuanhe Zhao說。
結(jie)語：EcoFlex讓普(pu)通(tong)家庭也(ye)能用得(de)起神(shen)經假肢
能(neng)(neng)夠讓使(shi)用者通(tong)(tong)過肌肉信號(hao)控制的假(jia)肢(zhi)早已(yi)不是(shi)什么新(xin)鮮(xian)的東西，但是(shi)傳統的神經(jing)假(jia)肢(zhi)往往笨重且昂貴(gui)，遠不是(shi)普(pu)通(tong)(tong)家庭能(neng)(neng)夠承受的起的。
現(xian)在，麻(ma)省理工學(xue)院與(yu)上(shang)海交通大學(xue)的(de)研究者讓神經假(jia)肢更(geng)加輕(qing)便(bian)靈(ling)活(huo)的(de)同時(shi)，還(huan)大大降(jiang)低了其成(cheng)本，使其成(cheng)本僅有3千余元，讓低收入家庭也能用得起神經假(jia)肢。
來源：MIT News
