上海交大等开发「充气式仿生神经机械手」，柔软而富有弹性、轻便、低成本！
说到仿生机械手，大家应该已经不陌生了。
最近几年，多种仿生机械手层出不穷，它们不仅外表炫酷充满科技感，有的还结合肌电控制，电机驱动等功能，帮助截肢患者完成一些简单的操作。
但要想替代真正的人手，依然是一个长期而艰难的挑战。即便是最先进的仿生手臂，也无法达到人类手的复杂性、灵活性和适应性。
到目前为止，大部分的仿生手都采用软材料包裹着刚性机械结构来模仿人手的皮肤与骨骼，同时配备的多种复杂的电机与控制系统使其不仅成本高，而且又重又硬，冷冰冰的金属无法将人手柔软的、流畅的动作模仿出来。这种机械手与物体或人的互动难免比较生硬，患者使用起来会觉得“不太自然、不舒服”。
2021年8月16日，上海交通大学朱向阳教授、谷国迎教授、麻省理工学院赵选贺教授作为共同通讯作者，在国际著名期刊《Nature Biomedical Engineering》（自然·生物医学工程）上，发表了一篇题为A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectriccontrol and tactile feedback（操作感知一体化的软体神经假肢手） 的研究论文。
研发团队开发了一款柔软而富有弹性、轻便、低成本的充气式仿生神经机械手，重量仅有292g，仅为商用刚性仿生手重量的一半左右。还结合了触觉反馈和肌电控制，不仅能够实现多种灵活的手部动作，还可帮助截肢患者恢复触觉感知反馈和闭环控制能力！
▍“皮肤”柔软顺应性好，气动驱动重量轻
这款仿生手由手指与手掌组成，大部分由硅橡胶材料制作而成，柔软的材料赋予了仿生手很好的柔顺性，不会损坏柔软、易碎的物体；它虽“柔”也并不“弱”，不会被轻易损坏，就是汽车碾过去也毫发无损。
仿生手具有六个主动自由度，拇指具有一个额外的自由度，用于实现手部回握的动作；每根手指被设计为纤维增强的弹性管状结构，手指中间有两个或三个特定长度的柔性关节，来模拟人类双手的关节结构。
和刚性仿生机械手的驱动方式不同，这款软体仿生手采用了气动驱动的方式，这也是减轻整体重量的关键因素，手指部分的弹性管状结构在不同的气压驱动下可以弯曲成目标角度，轻松实现多种灵巧抓握手势。
柔软灵活的同时，它还是个大力士，还能提重物：
驱动硬件采用了分布式模块化的设计：微型泵、阀、电路板、电池等器件可装在轻量化腰包中，气动软体手指、传感器等位于仿生手本体中，腰包与机械手中的硬件通过隐藏的气管和电线进行连接。
▍触觉反馈与肌电控制
光有柔顺抓取还不够，仿生手最重要的是让截肢患者感受到“真实的触觉”。
这种“触觉”来源于定制的肌电控制接口与触觉闭环反馈，该策略主要由3部分组成：
1. 截肢受试者胳膊上会贴上4个肌电传感器，它可以接收并记录受试者的表面肌电信号，解码运动意图以控制软体手指和手掌，传递相应的抓握类型；
2. 每个手指的指尖都内置了水凝胶-弹性体混合的柔性压力传感器，可看作一个用于感知触摸压力的电容器，触摸物体时弹性体层的厚度会降低，从而增加了电容器的电容；
3. 指尖上的传感器测量到的相对电容变化，可以控制一个电刺激器，并产生电脉冲，刺激残肢肌肉的特定区域，实现触觉信号的神经反馈，使受试者感受到指尖的触摸压力。
随机按压受试者所佩戴的仿生手的五个手指，受试者可以准确分辨出哪几根被按压了。
电刺激器可将信号分类为几个常用的抓取类型，比如五只手指都参与的“握”，只用食指与大拇指的“捏”等等；通用异步接收/发送器 (UART) 端口，将分类结果发送到微控制器上，微控制器再通过两个固态继电器控制气泵和阀门，将一定大小的气体输送至仿生手中，这样就实现了受试者对仿生手的直观控制。
同时，通过对电脉冲的频率与压力传感器相对电容变化量的编码映射，截肢受试者可以恢复分级触觉感知能力，实现对不同尺寸抓握对象（譬如不同直径的柱体）的识别与分辨。
▍不只舒适，比刚性仿生手的触感更精准
为了评估这款软体仿生手的使用性能，研究人员进行了软体仿生手与刚性仿生手的对比实验，让受试者分别佩戴两种不同的仿生手来抓握草莓、面包和纸杯：
当受试者佩戴刚性仿生手时，草莓被捏出了汁；而软体仿生手下的草莓完好无损。
同样，在测试抓握面包时，刚性仿生手直接把面包捏出了两个洞。
相比刚性仿生手，软体仿生手抓取物品的适应性更强，触感更精准；同时软体仿生手重量大幅降低，受试者佩戴时表示使用的舒适性明显提升。
研究人员还进行了日常生活中的应用验证，佩戴软体仿生手后，受试者可以进行自主抓取和操作不同的物品，例如吃蛋糕，握红酒杯等；捏着拉链向上拉等精细的操作任务也能够完成；和其他人互动时也很安全，能够和朋友握手，躺在草地上撸猫。
据悉，研究团队已申请了专利，并正在努力改进，以实现更灵敏的传感、更多的运动范围，最终实现批量生产，造福社会。
▍总结与展望
软体驱动器因其轻便、成本低、顺应性好等优点，已经普遍被应用于柔性抓取、医疗康复和智能穿戴等领域中，在许多爬行、水下、手术机器人的身上也能看到软体驱动器的身影。低压驱动、高应变幅度与速度、易于制作、耐久性高，这些都是刚性驱动器无法做到的。
这种将软体驱动器与肌电控制、触觉反馈集成为一体的仿生假肢手，能够帮助截肢患者恢复灵巧的手部功能，还能让其感知到真正的手部触觉；和商用仿生假肢相比，不仅重量上大大减轻，制作成本也低了许多，这对于低收入家庭的截肢患者来说，具有巨大潜力。
先进的肌电解码算法和感知反馈方法，能够进一步提高软体神经假肢手的性能，为下一代柔顺、轻便、低成本的仿生肢体的发展提供新的思路和方法。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0