仿生假肢能开锁、写字、用电钻!仿生假肢可替代手臂!

  醉生梦死        2020-11-04 10:56:10

智东西11月3日消息,在最近刊出的《Science Robotics》杂志中,有一篇文章描述了一款具备人类手部关键生物学特征能力的仿生假肢。


来自意大利技术研究所和意大利INAIL假肢中心的研究人员在报告中称,这款仿生假肢具备自然协同和适应性运动能力,其在力量、速度、稳健性等方面都高度模拟人手。


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▲Hannes假肢现实中多场景使用情况


这款仿生假肢名为“Hannes”,是由研究所的研究人员、矫形外科医生、工业设计师和患者共同开发的,能够为手部截肢患者恢复超过90%的手部功能。


这款仿生假肢采用了机电一体化等技术提升操作自然度及使用效率,试验证明,Hannes能在一周时间内被熟练应用,可以转动钥匙、按压喷壶、握笔写字,还能在不到1秒内完成完全闭合的抓握,并施加150N的抓力。


Hannes有什么神奇之处?它是如何做到近乎逼真地模拟人手动作的?背后有什么创新技术?让我们跟随文章一同了解。


一、一周熟练使用,能恢复超九成手部功能


Hannes是一种拟人化、多关节的手部假肢系统,覆盖手部和手腕部分。Hannes最主要的特点是其柔软性,以及它具备的动态适应抓取不同形状物体的能力。


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▲Hannes假肢产品图


Hannes与人类的手非常相似,并且由于患者也参与了Hannes的开发,这款仿生假肢也相对更具有实际的应用价值。


为了评估Hannes的有效性和可用性,研究人员让截肢患者使用Hannes进行了试验,结果表明,经过不到一周的训练,患者已经可以自主使用Hannes完成日常生活中的大量活动。


二、机电一体化提升工作效率


Hannes主要由三个相互作用的部分构成:包括一个肌电多关节假肢手、一个屈曲手腕模块以及一个肌电系统控制器。其中,肌电系统内包括两个表面肌电图传感器、电池组和控制电子设备。


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▲Hannes的体系结构


这一肌电系统使得患者可以整天佩戴Hannes,还能调整各种上肢损伤。Hannes的工作原理是,通过一组放置在定制插座中的表面肌电传感器,就可以监测到手臂下部或较高部位的残留肢体肌肉的活动,使用者主动收缩可控制的部分肌肉就能操作Hannes执行多个动作。


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▲Hannes假肢戴上类似人手的手套后进行抓握操作


Hannes的另一个重要组成部分是一个屈曲手腕模块,这一模块根据交互作用力能使假肢自然弯曲,并且适应正在执行的抓握任务。


此外,通过专门开发的软件和蓝牙连接,使用者还能够定制假肢的操作参数,例如移动的精度和速度,以确保适应每一位使用者。


Hannes最大的亮点在于机械设计,它的手掌中容纳了电动执行器、控制板、传感器和传动机构等组件。其动力总成系统由一个紧凑的、高功率密度的直流电动机以及一个定制的摆线齿轮箱组成。


这一动力系统由一个机械差速系统驱动,动力总成系统驱动导线,从而将力传递,并加快了手掌中电缆机制的运行速度。电动机将电力通过导线,穿过两个安装在线性导轨上的差动元件,其中每个差动元件都由定制的轴承和转轮等零件组成。


这一系统将Hannes的驱动核心集中在了单个电动机内,这不仅提高了这款仿生假肢的性能,还大大提升了它的工作效率。


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▲Hannes机电一体化部件部署


三、重450克,能扭钥匙、拿重物


Hannes的重量为450克,大小对应人体尺寸的“第50百分位”,也就是对应中等个子身材的人。目前Hannes已经有两种尺寸对应男性与女性,以及便于使用者进行左右手的替换。


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▲Hannes与“第50百分位”的人手尺寸对比图


Hannes使用起来非常自然,即使手指在静止时也可以自然地弯曲和定位。特别的是,Hannes的拇指可以在三个位置上定向,能够复制人手各种各样的抓握动作,包括精准拾取小物体并进行横向移动,以及通过电动抓握方式移动重物。


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▲Hannes精准抓取并移动物体


此外,Hannes的机械系统还允许手腕进行内旋和外旋,例如进行旋转钥匙开锁的动作。Hannes允许患者进行不同方向的抓握动作,而不会对患者的身体产生副作用。


Hannes还能在不到1秒钟的时间内完成完全闭合的抓握,并且可以施加最大150N的抓握力,Hannes这方面的性能远远超过了其他商用多关节假肢。Hannes的电池规格为12V的电源及1300mAh的电池容量,能支持它使用一天。


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▲研究人员对Hannes的抓握速度及抓握力测试结果


结语:新式仿生假肢成残疾患者福音


Hannes仿生假肢由于结合了研究人员、患者、医生等各方相关人士意见,因此更加贴合截肢患者的需求。手腕内外旋,手掌不同抓取方式更加灵活也让Hannes不止成为一种单一的工具,更像是为患者定制了一只“真手”。我们期待这一产品能够商用落地,为手部截肢患者带来福音,为他们的生活提供便捷。


拓展阅读


黑科技!手臂截肢患者首次用大脑控制仿生假肢感受真实“触觉”

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这是第一次,手臂截肢的人可以在日常生活中用精神控制假肢体验触觉。《新英格兰医学杂志》上的一项研究报告了三名瑞典患者,他们使用这项新技术生活了好几年,这是世界上人类与机器之间最集成的接口之一。


这一进展是独特的:患者在日常生活中使用意念控制假肢长达七年之久。在过去的几年里,他们还获得了一个新的功能——假肢手的触觉。这是假肢的一个新概念,被称为神经肌肉骨骼假体,它们可与使用者的神经、肌肉和骨骼相连。


这项研究是由查尔默斯理工大学的副教授Max Ortiz Catalan与瑞典哥德堡大学的Sahlgrenska大学医院和Integrum AB合作进行的。奥地利维也纳医科大学和美国麻省理工学院的研究人员也参与了研究。


“我们的研究表明,与传统的假肢手相比,附着在骨骼上、由植入神经和肌肉的电极控制的假肢手的操作要精确得多。我们进一步改进了假肢的使用,通过整合患者用来调节抓取或挤压物体难度的触觉感觉反馈。随着时间的推移,患者辨别感觉强度的细微变化的能力已经得到了改善。”Max Ortiz Catalan说。


“这项研究最重要的贡献是证明了这种新型假肢在临床上是可行的,可以替代失去的手臂。” Max Ortiz Catalan继续说道,“无论神经接口变得多么复杂,它只有在患者和假肢之间的连接长期安全可靠的情况下才能给患者带来真正的好处。我们的研究结果是多年努力研究的成果,现在我们终于可以制造出第一个通过植入电极进行可靠控制的仿生手臂假肢,同时还可以在日常生活中向用户传递感觉。”


自从接受了他们的义肢,病人每天都在他们所有的专业和个人活动中使用它们。


这项技术的最新特点是触觉,它可以通过刺激曾经与生物手相连的神经来实现。位于假肢拇指上的力传感器测量抓取时施加在物体上的接触和压力。这些信息被传输到病人的神经,然后到达他们的大脑。因此,当患者触摸一个物体时,可以感觉到它的特征,以及按它的力度,这对于模仿生物手是至关重要的。


来源:凤凰网 智东西,前瞻网

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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