捏針、用剪刀、拉拉鏈、刷手機(jī)，還能打字、下圍棋……近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授張世武及合作者成功研發(fā)了一套具備19自由度的輕質(zhì)仿生靈巧手，能復(fù)現(xiàn)人手級別的功能。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然-通訊》。
論文通訊作者張世武介紹，“19自由度假肢靈巧手不僅能提高人形機(jī)器人的靈巧操作能力，還有望為全球千萬上肢截肢患者提供手部功能重建與日常生活輔助服務(wù)。”
19自由度假肢靈巧手。受訪者供圖
自由與輕巧難以兼顧
人的手具有23個自由度，雖然重量僅約為人體重量的1/150，但其運動功能占全身運動功能的54%。手的靈活度是衡量人類以及人形機(jī)器人工作能力的關(guān)鍵指標(biāo)。
假肢靈巧手是一種模擬人手高自由度結(jié)構(gòu)和靈活運動功能的康復(fù)輔助器具，能夠幫助上肢截肢者完成手勢表達(dá)、抓握及操作物體等任務(wù)，有效提升其生活自主性。
但是，傳統(tǒng)假肢靈巧手通常使用功率密度較低的電機(jī)驅(qū)動，難以在自由度與重量之間達(dá)到理想的平衡狀態(tài)。“患者在佩戴超過人手重量的靈巧手時感到嚴(yán)重不適。而且傳統(tǒng)假肢靈巧手的自由度比較低，通常少于10個，只能實現(xiàn)有限的抓握動作，遠(yuǎn)不及人手的靈活性。”張世武介紹，這些原因?qū)е陆咏话氲纳现刂颊叻艞壥褂眉僦`巧手。
因此，找到兼顧高自由度靈巧運動和舒適佩戴重量的設(shè)計方法，是假肢靈巧手領(lǐng)域的重要科學(xué)問題之一。
假肢靈巧手的類人手勢、抓握、操作功能及患者實驗展示。受訪者供圖
精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)人手33種抓握動作
張世武多年從事仿生機(jī)器人研究。此次研究團(tuán)隊歷時7年半，經(jīng)過多個版本的迭代和優(yōu)化，成功研發(fā)出19自由度假肢靈巧手，為實現(xiàn)靈活性和可穿戴之間的理想平衡提供了有效思路。
張世武介紹，這款靈巧手有很多優(yōu)勢：一是非常輕，總重370克，佩戴舒適。同時也具備較強(qiáng)的抓握能力，最大負(fù)載達(dá)2.5千克，滿足患者日常所需。
二是具備語音交互能力。研究團(tuán)隊與科大訊飛語音識別技術(shù)結(jié)合，讓靈巧手具備了簡單、友好且低成本的人機(jī)交互能力，支持60種語言和20種方言，具備95%的識別準(zhǔn)確率和毫秒級的響應(yīng)時間。
“傳統(tǒng)假肢靈巧手通過采集患者皮膚表面的肌電信號來識別患者的運動意圖。這種肌電技術(shù)容易受患者出汗、肌肉疲勞等因素的干擾，需要反復(fù)標(biāo)定。”張世武說，語音識別技術(shù)可以支持患者直接與靈巧手“對話”，將運動意圖通過語音輸入到靈巧手中。這種方式操作簡單、普適性強(qiáng)，極適用于在截肢患者中普及。
在臨床測試中，一名60歲女性截肢患者僅用半天時間便熟練掌握該假肢靈巧手的使用，成功完成了抓握、翻書、系扣等日常生活常見操作。
值得一提的是，該假肢靈巧手還展現(xiàn)了操作剪刀、使用手機(jī)以及復(fù)雜手語手勢的能力，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)了傳統(tǒng)的33種人手抓握動作。此外，為提高假肢靈巧手的靈活性，研究團(tuán)隊又增加了6種更高難度的抓握動作，比如抓握乒乓球拍、夾取棋子等。
提升性能和使用體驗
中國科大特任副研究員、論文第一作者楊浩介紹，這款假肢靈巧手的核心技術(shù)在于使用了高功重比形狀記憶合金。“這是一種由溫度誘發(fā)的智能材料。通電后，形狀記憶合金將進(jìn)行一個快速收縮的過程。這個過程類似于人體的肌肉，驅(qū)動靈巧手工作。形狀記憶合金的功重比高，意味著相同質(zhì)量下它能夠產(chǎn)生比其他傳統(tǒng)驅(qū)動器如電機(jī)更多的輸出。”
此外，形狀記憶合金質(zhì)量輕，體積小，有利于集成。得益于此，研究團(tuán)隊設(shè)計出假肢手的結(jié)構(gòu)，包括19自由度的手掌部分（手指和手腕）以及前臂部分。
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊仿生設(shè)計出類肌腱傳動系統(tǒng)，在手指及手腕內(nèi)嵌入23組傳感單元來實現(xiàn)關(guān)節(jié)精確運動控制，并集成包含冷卻模塊的38組陣列式形狀記憶合金驅(qū)動器，實現(xiàn)了假肢靈巧手的19主動自由度運動。
楊浩表示，“接下來，我們將進(jìn)一步提升假肢靈巧手的性能和使用體驗。比如，集成高性能冷卻系統(tǒng)的新一代形狀記憶合金將有效提高假肢手的運動效率；高精度觸覺傳感皮膚將賦予假肢手更精細(xì)的操作能力。同時，團(tuán)隊正與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)第一附屬醫(yī)院合作，希望在更多上肢截肢患者群體中開展實驗，收集數(shù)據(jù)提升患者體驗感。”
未來，張世武憧憬假肢靈巧手能夠在外觀、力量、速度、靈活性上“比肩”人手，高效完成日常生活中的各種復(fù)雜手部任務(wù)，提高患者的生活質(zhì)量，造福全球上千萬上肢截肢患者。此外，他希望實現(xiàn)人形機(jī)器人的類人級別靈巧操作，幫助人形機(jī)器人走進(jìn)千家萬戶。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56352-5
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