本文原標(biāo)題：《上海交大機器人研究所團隊研究設(shè)計操作感知一體化的軟體神經(jīng)假肢手》

2021年8月18日，融合網(wǎng)&呼麥網(wǎng)小編在上海交通大學(xué)官網(wǎng)“首頁>探索發(fā)現(xiàn)>交大智慧”欄目看到一則標(biāo)題為《上海交大機器人研究所團隊研究設(shè)計操作感知一體化的軟體神經(jīng)假肢手》的消息，以下為該消息全文——

8月16日，《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院機器人研究所朱向陽、谷國迎教授和麻省理工學(xué)院趙選賀教授的合作論文“操作感知一體化的軟體神經(jīng)假肢手”（A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback）。上海交通大學(xué)為論文第一作者和通訊作者單位，博士研究生張寧斌為論文共同第一作者。該論文也被Nature以“A tough prosthetic hand obeys the muscles’ commands”為題，作為研究亮點報道。

軟體神經(jīng)假肢手具有六個主動自由度，在氣壓驅(qū)動下可實現(xiàn)多種靈巧抓握手勢。每個手指具有內(nèi)嵌多段分布式硬質(zhì)結(jié)構(gòu)層的纖維增強軟體結(jié)構(gòu)，在氣壓驅(qū)動下具有一個彎曲自由度。特別是拇指具有一個額外的自由度，用于實現(xiàn)對掌運動。此外，手指固有的柔順性使其在面對柔軟、易碎物體時也能夠進行自適應(yīng)抓握。

驅(qū)動控制硬件設(shè)計采用分布式模塊化思路。微型泵、閥、電路板、電池等器件可裝在輕量化腰包中，氣動軟體手指、傳感器等位于機械手本體中，腰包與機械手中的硬件通過隱藏的氣管和電線進行連接。根據(jù)需要，所有器件均可集成于假肢的接收腔內(nèi)。接收腔中嵌入了四個定制的肌電傳感器，用來記錄殘肢目標(biāo)肌肉的表面肌電信號，并解碼截肢患者的運動意圖。各個軟體手指的指尖內(nèi)置了水凝膠-彈性體混合結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器，并集成了電觸覺系統(tǒng)，具備觸覺壓力等外部感知信息的神經(jīng)反饋功能，可實現(xiàn)假肢手與神經(jīng)系統(tǒng)的雙向閉環(huán)控制。

為了評估軟體神經(jīng)假肢手的使用性能，兩位截肢患者按指定范式分別完成了軟體假肢手和剛性假肢手的標(biāo)準(zhǔn)量化測試實驗。實驗結(jié)果統(tǒng)計分析表明，軟體假肢手在速度和靈巧性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的剛性神經(jīng)假肢。當(dāng)抓握草莓、面包和紙杯等柔軟、易碎物品時，軟體神經(jīng)假肢手展示了更強的性能優(yōu)勢。此外，因軟體假肢手重量大幅降低，受試者佩戴使用的舒適性明顯提升。

日常生活應(yīng)用驗證實驗表明，截肢受試者可以控制軟體假肢手抓取和操作食物、日用品、工具等不同的物品，也可以與外界進行握手、觸摸動植物等安全互動交互，完成捏取不同形狀尺寸的物體并進行插槽等精細操作。

當(dāng)指尖觸覺傳感器上的有效壓力達到設(shè)定閾值時，將觸發(fā)電刺激器產(chǎn)生電脈沖并刺激殘肢肌肉的特定區(qū)域，實現(xiàn)觸覺信號的神經(jīng)反饋。在視覺-聽覺屏蔽的交互實驗中，隨機按壓軟體神經(jīng)假肢手的五個手指，截肢受試者可以準(zhǔn)確分辨出任意單個或多個被按壓的手指。實驗結(jié)果表明，結(jié)合肌電控制和觸覺反饋可實現(xiàn)軟體神經(jīng)假肢手的閉環(huán)控制。此外，通過對電脈沖的頻率與壓力傳感器相對電容變化量的編碼映射，截肢受試者可以恢復(fù)分級觸覺感知能力，實現(xiàn)對不同尺寸抓握對象，如不同直徑柱體的識別與分辨。

論文報道了一種集成肌電控制與觸覺反饋的軟體神經(jīng)假肢手，能夠幫助截肢受試者恢復(fù)多種手部靈巧操作功能、觸覺感知反饋和閉環(huán)控制能力。其模塊化的設(shè)計可實現(xiàn)高效的迭代設(shè)計、制造和控制。與商用剛性假肢相比，軟體神經(jīng)假肢手具有諸多優(yōu)勢，如固有的順應(yīng)性、輕便、低成本以及嵌入式的柔性觸覺壓力傳感等。研究采用更先進的肌電解碼算法和感知反饋方法，有望進一步提高軟體神經(jīng)假肢手的性能。研究工作為下一代柔順、輕便、低成本的類生物體假肢技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。

論文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委“科技創(chuàng)新行動計劃”等科技計劃項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0

相關(guān)報道：https://www.nature.com/articles/d41586-021-02238-7

供稿單位：機械與動力工程學(xué)院

責(zé)任編輯：張玲玲