某机构工程师开发出一种开创性的仿生义肢手，能够像人类一样抓握毛绒玩具、水瓶和其他日常物品，通过仔细地调整其抓握方式，避免损坏或不当操作所持物品。
该系统的混合设计在机器人手领域尚属首创。以往的机器人手在处理不同质地和材料的物体时，要么过于坚硬，要么过于柔软，难以复现人类的触感。这项创新为手部截肢者提供了一个有前景的解决方案，并能改善机器人手臂与其环境的交互方式。
关于该设备的详细信息于3月5日发表在《科学进展》杂志上。
“自项目开始，目标就是基于人类手的物理和感知能力，来创建一种仿生义肢手——一种功能更像、感觉更像原生肢体的人造手，”领导这项工作的某机构生物医学工程师表示。“希望让上肢截肢者能够安全、自由地与环境互动，在感受和拥抱亲人时无需担心伤害到他们。”
该设备由曾在2018年创造出世界首个具有类人痛感电子皮肤的同一神经工程与生物仪器实验室开发。其特点是具有多指系统，采用橡胶类聚合物和刚性的3D打印内部骨架。受人类皮肤层启发，其三层触觉传感器使其能够抓握并区分各种形状和表面纹理的物体，而不仅仅是检测到接触。每个柔软、充气的手指关节都可以通过前臂的肌肉进行控制。机器学习算法则专注于处理来自人工触觉感受器的信号，以创造逼真的触感。“来自手指的感官信息被转换为神经语言，通过电神经刺激提供自然的感官反馈。”
在实验室中，这只手识别并操作了15种日常物品，包括易碎的填充玩具、洗碗海绵、纸板箱，以及菠萝、金属水瓶和其他更坚固的物品。在实验中，该设备与其他方案相比，实现了最佳性能，成功处理物体的准确率达到99.69%，并根据需要调整抓握以防止意外。最显著的例子是，它仅用三个手指就灵巧地拿起了一个装有水的薄而脆的塑料杯，且没有使其凹陷。
“正在结合刚性机器人和软体机器人的优势来模仿人类的手，”研究人员说。“人类的手并非完全刚性或纯粹柔软——它是一个混合系统，由骨骼、柔软的关节和组织协同工作。这就是希望义肢手能够达到的效果。这对机器人技术和假肢技术来说是一个新领域，以前它们并未完全接纳这种混合技术。它既能提供有力的握手，也能拿起柔软的物体而不用担心将其捏碎。”
为帮助截肢者在抓握时重获感知物体的能力，义肢需要三个关键组成部分：用于感知环境的传感器、将数据转换为类似神经信号的系统，以及一种刺激神经以使患者能够感受到感觉的方式，指导这项工作的某机构生物医学工程教授指出。
这种仿生技术使得义肢手能够通过使用前臂的肌肉信号来工作，这与大多数手部义肢一样。这些信号桥接大脑和神经，允许手根据其触觉进行弯曲、松开或反应。其结果是创造出一个能直观“知道”自己正在触摸什么的机器人手，就像神经系统一样。
“如果你拿着一杯咖啡，怎么知道它要掉了？手掌和指尖会向大脑发送信号，告知杯子正在滑落，”该教授说。“我们的系统受到神经系统的启发——它模拟了手的触觉感受器，产生类似神经的信息，这样义肢的‘大脑’，也就是它的计算机，就能理解物体是热是冷、是软是硬，还是正从手中滑落。”
虽然这项研究是混合机器人技术的早期突破，可能改变假肢和机器人领域，但教授表示，还需要更多工作来完善该系统。未来的改进可能包括更强的握力、额外的传感器以及工业级材料的使用。
“这种混合灵活性不仅对下一代假肢至关重要，”教授说。“也是未来机器人手所需要的，因为它们将不仅仅处理大型、沉重的物体。它们需要能够处理诸如玻璃、织物或软玩具等易碎材料。这就是为什么像人类手那样设计的混合机器人如此有价值——它结合了柔软和刚性结构，就像我们的皮肤、组织和骨骼一样。”
其他作者来自某机构、某大学。本研究由国防部通过矫形器和假肢成果研究项目以及国家科学基金会资助。FINISHED
