8 月 20 日消息，麻省理工學(xué)院和上海交通大學(xué)的工程師設(shè)計了一種柔軟、輕便且低成本的神經(jīng)假肢手。這是一款充氣的機械手，名叫 EcoFlex。殘疾人裝上它之后可以利用自身的肌肉信號控制這只機械手，做出拉拉鏈、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(tǒng)的可由肌肉信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）。
該研究于 8 月 16 日發(fā)表在 Nature 子刊《自然-生物醫(yī)學(xué)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(jīng)假肢手（A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback）。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0
01.比傳統(tǒng)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(shù)，市面上對于假肢的需求較為龐大。假肢技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步，除了有類似于肢體模型的假肢存在外，還有越來越多的商業(yè)神經(jīng)假肢。
神經(jīng)假肢這種仿生肢體可以感知殘疾人的肌肉信號，并做出他們想要作的動作。這種假肢聽起來相當(dāng)科幻，但是這種高科技帶來的靈巧性是有代價的。神經(jīng)假肢的價格可能高達上萬美元，并且它是利用金屬骨架打造的，再加上驅(qū)動它的電機，整個假肢又重又硬。
為了讓神經(jīng)假肢更靈活輕便，并降低制造成本，麻省理工學(xué)院和上海交通大學(xué)的工程師們設(shè)計出了一種柔軟、輕便的神經(jīng)假肢手。他們將這種假肢手命名為 EcoFlex。
EcoFlex 由柔軟、有彈性的材料制成，并且靠充氣驅(qū)動。它的重量僅有 292 克，并且它的組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(tǒng)，可以讓假肢與人類的手一樣擁有觸覺。截肢者戴上 EcoFlex 后可以實現(xiàn)一些日?；顒?，如拉拉鏈、倒果汁等。在某些情況下，EcoFlex 的表現(xiàn)甚至比傳統(tǒng)的金屬假肢還要好。
研究者還發(fā)現(xiàn)，這種新設(shè)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后都能夠迅速恢復(fù)。
麻省理工學(xué)院機械工程和土木與環(huán)境工程教授 Xuanhe Zhao 說：“這還不是一個完整的產(chǎn)品，但是它所表現(xiàn)出來的性能已經(jīng)接近甚至優(yōu)于現(xiàn)在市面上存在的神經(jīng)假肢，這讓我們感到興奮。制作這種假肢的成本非常低，對于低收入家庭的截肢者來說，有很大的應(yīng)用潛力?！?/p>
02.EcoFlex 由氣體驅(qū)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、有彈性的材料制成。該假肢包括五個氣球狀的手指，每個手指都嵌入了纖維段，類似于人類手指上的關(guān)節(jié)骨。彎曲的軟體手指連接到了一個 3D 打印的“手掌”之上。
EcoFlex 不像市面上大多數(shù)的神經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(xué)院博士后 Shaoting Lin 開發(fā)了一個計算機模型，將手指的彎曲程度與氣泵施加的相應(yīng)的力相關(guān)聯(lián)。使用這個模型，該團隊開發(fā)了一個控制器，可以指導(dǎo)氣動系統(tǒng)為手指充氣，以此實現(xiàn)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。
▲ 志愿者嘗試控制假肢握拳
當(dāng)人們想做出某種動作的時候，運動神經(jīng)元會產(chǎn)生電信號以控制肌肉，該團隊用現(xiàn)有算法解碼肌電信號，并將其與常見的抓握類型相關(guān)聯(lián)。氣動系統(tǒng)正是通過與截肢者肢體相連的肌電傳感器來接受這種信號，并以此控制神經(jīng)假肢。
比如，當(dāng)截肢者想象自己拿著酒杯時，傳感器就會接收到其肌電信號，然后控制器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力值。氣泵會根據(jù)這些壓力值來使每個手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹而彎曲，以此實現(xiàn)截肢者想要的抓握動作。
僅僅能實現(xiàn)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(shù)商業(yè)神經(jīng)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傳感器，當(dāng)觸摸或擠壓到該傳感器時，會產(chǎn)生與其感受到的壓力成正比的電信號。每個傳感器都與截肢者殘肢的特定位置相連，比如當(dāng)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(yīng)力度的刺激。
03.僅培訓(xùn) 15 分鐘就能使用 志愿者甚至還能“擼貓”
為了測試 EcoFlex，研究人員招募了兩名上肢截肢的志愿者。經(jīng)過 15 分鐘的培訓(xùn)后，志愿者被要求進行一系列的標準化測試。這些測試任務(wù)包括壘棋子、翻頁、寫字、舉起較重的球體、撿起地上的草莓及面包等。
研究者同樣讓志愿者使用市面上用堅硬材料制作的仿生手進行了相同的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn) EcoFlex 在大多數(shù)任務(wù)上和這些傳統(tǒng)仿生手效果不相上下，甚至在某些任務(wù)上表現(xiàn)更好。
一名志愿者用上 EcoFlex 之后能夠在日常生活中輕松的使用它，比如可以用來吃餅干、蛋糕、蘋果等食物，也能使用筆記本電腦、瓶子、錘子、鉗子等工具，甚至還能與人握手和“擼貓”。
▲ 志愿者在“擼貓”
在另外一項測試中，研究人員蒙住了志愿者的眼鏡，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)他們能夠“感覺”到放置在假手中不同大小的瓶子的區(qū)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(jīng)通過麻省理工學(xué)院為該設(shè)計申請了專利，并在努力改進其傳感和運動范圍?！拔覀儸F(xiàn)在可以實現(xiàn)的抓我類型還是太少，接下來將通過更好的解碼技術(shù)、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(chǎn)的設(shè)計，這樣我們就可以利用這一技術(shù)造福社會?！盭uanhe Zhao 說。
04.結(jié)語：EcoFlex 讓普通家庭也能用得起神經(jīng)假肢
能夠讓使用者通過肌肉信號控制的假肢早已不是什么新鮮的東西，但是傳統(tǒng)的神經(jīng)假肢往往笨重且昂貴，遠不是普通家庭能夠承受的起的。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院與上海交通大學(xué)的研究者讓神經(jīng)假肢更加輕便靈活的同時，還大大降低了其成本，使其成本僅有 3 千余元，讓低收入家庭也能用得起神經(jīng)假肢。
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