原創(chuàng) 健恩 智東西 收錄于話(huà)題#機(jī)器人207個(gè)

麻省理工學(xué)院和上海交通大學(xué)的工程師共同研發(fā)了一種軟體假肢，成本僅3000多元。

編譯 | 健恩

編輯 | 高歌

智東西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(jì)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(jī)械手，名叫EcoFlex。殘疾人裝上它之后可以利用自身的肌肉信號(hào)控制這只機(jī)械手，做出拉拉鏈、握手等動(dòng)作，甚至還可以“擼貓”。

研究者稱(chēng)，EcoFlex的重量?jī)H有292克重，且與傳統(tǒng)的可由肌肉信號(hào)控制的假肢相比成本大大下降，成本總計(jì)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(jué)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(guò)500萬(wàn)人接受過(guò)截肢手術(shù)，市面上對(duì)于假肢的需求較為龐大。假肢技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，除了有類(lèi)似于肢體模型的假肢存在外，還有越來(lái)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?dú)埣踩说募∪庑盘?hào)，并做出他們想要作的動(dòng)作。這種假肢聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)科幻，但是這種高科技帶來(lái)的靈巧性是有代價(jià)的。神經(jīng)假肢的價(jià)格可能高達(dá)上萬(wàn)美元，并且它是利用金屬骨架打造的，再加上驅(qū)動(dòng)它的電機(jī)，整個(gè)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?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)。它的重量?jī)H有292克，并且它的組件總計(jì)價(jià)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(jué)反饋系統(tǒng)，可以讓假肢與人類(lèi)的手一樣擁有觸覺(jué)。截肢者戴上EcoFlex后可以實(shí)現(xiàn)一些日?；顒?dòng)，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(jì)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(chē)碾壓后都能夠迅速恢復(fù)。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和土木與環(huán)境工程教授Xuanhe Zhao說(shuō)：“這還不是一個(gè)完整的產(chǎn)品，但是它所表現(xiàn)出來(lái)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(duì)于低收入家庭的截肢者來(lái)說(shuō)，有很大的應(yīng)用潛力?！?/p>

02.

EcoFlex由氣體驅(qū)動(dòng)

研究者還讓它擁有觸覺(jué)

與其他軟體機(jī)器人類(lèi)似，EcoFlex由柔軟、有彈性的材料制成。該假肢包括五個(gè)氣球狀的手指，每個(gè)手指都嵌入了纖維段，類(lèi)似于人類(lèi)手指上的關(guān)節(jié)骨。彎曲的軟體手指連接到了一個(gè)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(jī)控制每個(gè)手指，而是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)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(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)小型氣泵和閥門(mén)，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(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)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(gè)模型，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)控制器，可以指導(dǎo)氣動(dòng)系統(tǒng)為手指充氣，以此實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的抓握動(dòng)作，比如兩個(gè)或三個(gè)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(dòng)作的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)以控制肌肉，該團(tuán)隊(duì)用現(xiàn)有算法解碼肌電信號(hào)，并將其與常見(jiàn)的抓握類(lèi)型相關(guān)聯(lián)。氣動(dòng)系統(tǒng)正是通過(guò)與截肢者肢體相連的肌電傳感器來(lái)接受這種信號(hào)，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(shí)，傳感器就會(huì)接收到其肌電信號(hào)，然后控制器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力值。氣泵會(huì)根據(jù)這些壓力值來(lái)使每個(gè)手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹而彎曲，以此實(shí)現(xiàn)截肢者想要的抓握動(dòng)作。

僅僅能實(shí)現(xiàn)抓握還不夠，研究者希望能夠讓EcoFlex擁有觸覺(jué)反饋，這是大多數(shù)商業(yè)神經(jīng)假肢中沒(méi)有的功能。

為此，它們?cè)诿總€(gè)指尖上安裝了一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)觸摸或擠壓到該傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與其感受到的壓力成正比的電信號(hào)。每個(gè)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(shí)，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(cè)試EcoFlex，研究人員招募了兩名上肢截肢的志愿者。經(jīng)過(guò)15分鐘的培訓(xùn)后，志愿者被要求進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試。這些測(cè)試任務(wù)包括壘棋子、翻頁(yè)、寫(xiě)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(jiān)硬材料制作的仿生手進(jìn)行了相同的測(cè)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(lái)吃餅干、蛋糕、蘋(píng)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(xiàng)測(cè)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(lái)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(jué)”到放置在假手中不同大小的瓶子的區(qū)別。

這些試驗(yàn)表明截肢者可以利用EcoFlex重新獲得某種形式上的觸覺(jué)，也能利用EcoFlex來(lái)控制物體。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)麻省理工學(xué)院為該設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專(zhuān)利，并在努力改進(jìn)其傳感和運(yùn)動(dòng)范圍?！拔覀儸F(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)的抓我類(lèi)型還是太少，接下來(lái)將通過(guò)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(lái)改進(jìn)EcoFlex。我們還想做出可批量生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，這樣我們就可以利用這一技術(shù)造福社會(huì)?！盭uanhe Zhao說(shuō)。

04.

結(jié)語(yǔ)：

EcoFlex讓普通家庭也能用得起神經(jīng)假肢

能夠讓使用者通過(guò)肌肉信號(hào)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(yuǎn)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(shí)，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。

來(lái)源：MIT News

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原標(biāo)題：《讓截肢者能握拳、能擼貓！MIT和上海交大發(fā)明充氣機(jī)械手，還擁有觸覺(jué)》

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