前瞻经济学人APP|上海交大携手麻省理工打造充气式机械手，可为截肢者提供实时触觉控制
对于全球500多万接受上肢截肢手术的人来说 ， 义肢已经取得了长足的进步 。 除了传统的类似人体模型的附体 ， 越来越多的商业神经义肢——高度关节的仿生肢体 ， 通过设计来感知用户的残余肌肉信号 ， 并自动模仿他们的预期动作 。
但这种高科技的灵活性是有代价的 。 神经修复术的价格可能高达数万美元 ， 它是围绕金属骨架建造的 ， 配备的电动机可能又重又硬 。
现在 ， 麻省理工学院(MIT)和上海交通大学的工程师们设计了一种柔软、轻便、可能成本较低的神经假肢手 。 测试义肢的截肢者可以进行日常活动 ， 比如拉行李箱的拉链、倒一盒果汁、抚摸一只猫 ， 这和那些使用更刚性神经义肢的人一样好——在某些情况下甚至更好 。
研究人员发现 ， 设计有触觉反馈系统的假肢 ， 可以恢复志愿者残肢的一些原始感觉 。 这种新设计还令人惊讶地耐用 ， 在被锤子击中或被汽车碾过后能迅速恢复 。
这只灵巧的手柔软而有弹性 ， 重约半磅 。 它的部件总计约500美元——这只是更坚固智能假肢的重量和材料成本的一小部分 。
麻省理工学院(MIT)机械工程和土木与环境工程教授Xuanhe Zhao表示:“这还不是一个产品 ， 但其性能已经与现有的神经修复术相似或更好 ， 这让我们感到兴奋 。 ”“对于那些遭受截肢的低收入家庭来说 ， 这种软假肢的成本非常低 ， 这是有巨大潜力的 。 ”
该团队柔软的新设计与动画电影《超能陆战队》(Big Hero 6)中的某种充气机器人惊人地相似 。 和这个黏糊糊的机器人一样 ， 该团队的人造手也是由柔软、有弹性的材料制成的——在这个例子中 ， 是商用弹性体EcoFlex 。 这个假体包括五个气球状的手指 ， 每一个都嵌有纤维节段 ， 类似于实际手指的关节骨 。 弯曲的手指连接着3D打印的“手掌” ， 形状像人手 。
与大多数神经修复术使用安装的电机控制每根手指不同 ， 研究人员使用了一个简单的气动系统来精确地给手指充气 ， 并在特定位置弯曲它们 。 这个系统 ， 包括一个小泵和阀门 ， 可以戴在腰部 ， 大大减少了假体的重量 。
研究人员开发了一个计算机模型 ， 将手指所需的位置与泵需要施加的相应压力联系起来 。 利用这个模型 ， 研究小组开发了一个控制器 ， 可以指导气动系统对手指进行充气 ， 模拟五种常见的握法 ， 包括将两根和三根手指捏在一起、握拳成球状和手掌成杯状 。
气动系统接收来自肌电传感器的信号 ， 肌电图传感器测量运动神经元产生的电信号来控制肌肉 。 传感器安装在假肢的开口处 ， 连接到用户的肢体上 。 在这种安排下 ， 传感器可以接收来自残肢的信号 ， 比如当截肢者想象握拳的时候 。
然后 ， 该团队使用现有的算法“解码”肌肉信号 ， 并将它们与常见的抓握类型联系起来 。 他们用这种算法为气动系统的控制器编写程序 。
在他们的设计上更进一步 ， 研究人员希望能使触觉反馈成为可能——这是大多数商业神经义肢所没有的功能 。 为了做到这一点 ， 他们在每个指尖上缝合一个压力传感器 ， 当触摸或挤压它时 ， 它会产生与所感觉到的压力成比例的电信号 。 每个传感器都连接到截肢者残肢上的特定位置 ， 这样用户就可以“感觉到”假肢的拇指被按下 ， 而不是食指 。
为了测试这只充气手 ， 研究人员招募了两名志愿者 ， 每人都进行了上肢截肢 。 一旦配备了神经义肢 ， 志愿者们就学会了使用它 ， 通过反复收缩手臂上的肌肉 ， 同时想象做出五种常见的抓取动作 。
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