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让截肢者能握拳、能撸猫,MIT 和上海交大发明充气机械手,还拥有触觉

时间:2021-08-22 11:48来源: 作者:admin 点击: 35 次
8 月 20 日消息,麻省理工学院和上海交通大学的工程师设计了一种柔软、轻便且低成本的神经假肢手。这是一款充气的机械手,名叫 EcoFlex。残疾人装上它之后可以利用自身的肌肉信号控制这只机械手,做出拉拉链、握手等动作,甚至还可以“撸猫”。研究者称,EcoFlex 的重量仅有 292 克重,且与传统

8 月 20 日消息,麻省理工学院和上海交通大学的工程师设计了一种柔软、轻便且低成本的神经假肢手。这是一款充气的机械手,名叫 EcoFlex。残疾人装上它之后可以利用自身的肌肉信号控制这只机械手,做出拉拉链、握手等动作,甚至还可以“撸猫”。

研究者称,EcoFlex 的重量仅有 292 克重,且与传统的可由肌肉信号控制的假肢相比成本大大下降,成本总计约 500 美元(约合人民币 3240 元)。

该研究于 8 月 16 日发表在 Nature 子刊《自然-生物医学工程(Nature Biomedical Engineering)》上,论文题目为《提供同步肌电控制和触觉反馈的柔软神经假肢手(A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback)。

论文链接:

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

01.比传统假肢更轻更便宜 新软体假肢只要 3 千多元

目前世界上有超过 500 万人接受过截肢手术,市面上对于假肢的需求较为庞大。假肢技术已经取得了长足的进步,除了有类似于肢体模型的假肢存在外,还有越来越多的商业神经假肢。

神经假肢这种仿生肢体可以感知残疾人的肌肉信号,并做出他们想要作的动作。这种假肢听起来相当科幻,但是这种高科技带来的灵巧性是有代价的。神经假肢的价格可能高达上万美元,并且它是利用金属骨架打造的,再加上驱动它的电机,整个假肢又重又硬。

为了让神经假肢更灵活轻便,并降低制造成本,麻省理工学院和上海交通大学的工程师们设计出了一种柔软、轻便的神经假肢手。他们将这种假肢手命名为 EcoFlex。

EcoFlex 由柔软、有弹性的材料制成,并且靠充气驱动。它的重量仅有 292 克,并且它的组件总计价格只有大约 500 美元(约合人民币 3240 元)。

研究人员还为它装上了触觉反馈系统,可以让假肢与人类的手一样拥有触觉。截肢者戴上 EcoFlex 后可以实现一些日常活动,如拉拉链、倒果汁等。在某些情况下,EcoFlex 的表现甚至比传统的金属假肢还要好。

研究者还发现,这种新设计的假肢手不仅重量轻、成本低还非常耐用,被锤子敲击甚至被汽车碾压后都能够迅速恢复。

麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授 Xuanhe Zhao 说:“这还不是一个完整的产品,但是它所表现出来的性能已经接近甚至优于现在市面上存在的神经假肢,这让我们感到兴奋。制作这种假肢的成本非常低,对于低收入家庭的截肢者来说,有很大的应用潜力。”

02.EcoFlex 由气体驱动 研究者还让它拥有触觉

与其他软体机器人类似,EcoFlex 由柔软、有弹性的材料制成。该假肢包括五个气球状的手指,每个手指都嵌入了纤维段,类似于人类手指上的关节骨。弯曲的软体手指连接到了一个 3D 打印的“手掌”之上。

EcoFlex 不像市面上大多数的神经假肢那样让电机控制每个手指,而是使用一个简单的气动系统来精确的给手指充气,让它们可以在特定的位置弯曲或伸直。

该气动系统包括一个小型气泵和阀门,可以佩戴在腰部,有效地减轻了假肢本身的重量。

麻省理工学院博士后 Shaoting Lin 开发了一个计算机模型,将手指的弯曲程度与气泵施加的相应的力相关联。使用这个模型,该团队开发了一个控制器,可以指导气动系统为手指充气,以此实现常见的抓握动作,比如两个或三个手指捏在一起、握拳、握手等。

▲ 志愿者尝试控制假肢握拳

当人们想做出某种动作的时候,运动神经元会产生电信号以控制肌肉,该团队用现有算法解码肌电信号,并将其与常见的抓握类型相关联。气动系统正是通过与截肢者肢体相连的肌电传感器来接受这种信号,并以此控制神经假肢。

比如,当截肢者想象自己拿着酒杯时,传感器就会接收到其肌电信号,然后控制器将其转换为相应的压力值。气泵会根据这些压力值来使每个手指关节产生相应的膨胀而弯曲,以此实现截肢者想要的抓握动作。

仅仅能实现抓握还不够,研究者希望能够让 EcoFlex 拥有触觉反馈,这是大多数商业神经假肢中没有的功能。

为此,它们在每个指尖上安装了一个压力传感器,当触摸或挤压到该传感器时,会产生与其感受到的压力成正比的电信号。每个传感器都与截肢者残肢的特定位置相连,比如当假肢的拇指被按压时,截肢者就可以感受到代表拇指的位置受到相应力度的刺激。

03.仅培训 15 分钟就能使用 志愿者甚至还能“撸猫”

为了测试 EcoFlex,研究人员招募了两名上肢截肢的志愿者。经过 15 分钟的培训后,志愿者被要求进行一系列的标准化测试。这些测试任务包括垒棋子、翻页、写字、举起较重的球体、捡起地上的草莓及面包等。

研究者同样让志愿者使用市面上用坚硬材料制作的仿生手进行了相同的测试,结果发现 EcoFlex 在大多数任务上和这些传统仿生手效果不相上下,甚至在某些任务上表现更好。

一名志愿者用上 EcoFlex 之后能够在日常生活中轻松的使用它,比如可以用来吃饼干、蛋糕、苹果等食物,也能使用笔记本电脑、瓶子、锤子、钳子等工具,甚至还能与人握手和“撸猫”。

▲ 志愿者在“撸猫”

在另外一项测试中,研究人员蒙住了志愿者的眼镜,发现他们可以辨别出来研究人员是在戳他们的假手指还是在抚摸他们的假手指。研究者还发现他们能够“感觉”到放置在假手中不同大小的瓶子的区别。

这些试验表明截肢者可以利用 EcoFlex 重新获得某种形式上的触觉,也能利用 EcoFlex 来控制物体。

该团队已经通过麻省理工学院为该设计申请了专利,并在努力改进其传感和运动范围。“我们现在可以实现的抓我类型还是太少,接下来将通过更好的解码技术、更高密度的肌电阵列和可以戴在手腕上的更紧凑的气泵来改进 EcoFlex。我们还想做出可批量生产的设计,这样我们就可以利用这一技术造福社会。”Xuanhe Zhao 说。

04.结语:EcoFlex 让普通家庭也能用得起神经假肢

能够让使用者通过肌肉信号控制的假肢早已不是什么新鲜的东西,但是传统的神经假肢往往笨重且昂贵,远不是普通家庭能够承受的起的。

现在,麻省理工学院与上海交通大学的研究者让神经假肢更加轻便灵活的同时,还大大降低了其成本,使其成本仅有 3 千余元,让低收入家庭也能用得起神经假肢。

(责任编辑:)
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