Caption:一只麻省理工学院开发的充气机械手为截肢者提供实时触觉控制
这只灵巧的手柔软而富有弹性，重约半磅，价格仅为同类假肢的一小部分
学分:麻省理工学院 对于世界上500多万接受上肢截肢手术的人来说，假肢已经取得了长足的进步
除了传统的类似人体模型的附属物之外，越来越多的商业神经假体——高度关节化的仿生肢体，被设计来感知用户剩余的肌肉信号，并通过机器人模拟他们想要的运动
但是这种高科技的灵巧是有代价的
神经假体的成本可能高达数万美元，而且是围绕金属骨架建造的，电动机可能又重又硬
现在，麻省理工学院和上海交通大学的工程师们已经设计出了一种柔软、重量轻、潜在成本低的神经假体手
测试假肢的截肢者进行日常活动，如拉行李箱拉链、倒一盒果汁、抚摸一只猫，这些活动与使用更刚性神经假体的人一样好，在某些情况下甚至更好
研究人员发现，这种设计有触觉反馈系统的假肢恢复了志愿者残肢的一些原始感觉
新设计也令人惊讶地耐用，在被锤子击打或被汽车碾过后迅速恢复
灵巧的手柔软有弹性，重约半磅
它的组件总计约500美元，只是与更坚硬的智能肢体相关的重量和材料成本的一小部分
麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵宣和说:“这还不是一个产品，但性能已经与现有的神经假体相似或更好，这让我们感到兴奋。”
“对于遭受截肢的低收入家庭来说，将这种柔软的假肢制造成极低成本有着巨大的潜力
" 赵和他的同事今天在《自然生物医学工程》上发表了他们的工作
合著者包括麻省理工学院博士后林、顾、，以及中国上海交通大学的合作者
大英雄手 该团队柔韧的新设计与动画电影《大英雄6》中的充气机器人有着惊人的相似之处
“与湿软的安卓系统一样，该团队的假手是由柔软、有弹性的材料制成的——在本例中，是商用弹性体EcoFlex
假肢由五个气球状的手指组成，每个手指都嵌入了纤维片段，类似于实际手指中的关节骨骼
弯曲的手指与3D打印的“手掌”相连，形状像人手
研究人员没有像大多数神经假体那样使用安装的电机来控制每个手指，而是使用一个简单的气动系统来精确地给手指充气，并在特定的位置弯曲它们
这个系统，包括一个小泵和瓣膜，可以戴在腰部，大大减轻了假肢的重量
学分:麻省理工学院 林开发了一个计算机模型，将手指的期望位置与泵为达到该位置而必须施加的相应压力联系起来
利用这一模型，研究小组开发了一种控制器，该控制器指导气动系统给手指充气，其位置模仿五种常见的抓握方式，包括将两个和三个手指捏在一起、握紧拳头和拔罐手掌
气动系统接收来自肌电图传感器的信号，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，在那里传感器连接到使用者的肢体上
在这种布置中，传感器可以从残肢上拾取信号，例如当截肢者想象握拳时
该团队随后使用了一种现有的算法来“解码”肌肉信号，并将它们与常见的抓握类型联系起来
他们用这个算法为他们的气动系统编程控制器
例如，当截肢者想象拿着一个酒杯时，传感器接收到剩余的肌肉信号，然后控制器将这些信号转换成相应的压力
然后，泵施加这些压力给每个手指充气，产生截肢者想要的抓握
在他们的设计中更进一步，研究人员试图实现触觉反馈——这是大多数商业神经假体中没有的功能
为了做到这一点，他们在每个指尖上缝合了一个压力传感器，当触摸或挤压该传感器时，会产生一个与所感测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，因此用户可以“感觉”假肢的拇指何时被按压，例如，相对于食指
抓地力好 为了测试这只充气手，研究人员招募了两名志愿者，每个人都被截肢
一旦配备了神经假体，志愿者们就学会了使用它，他们反复收缩手臂上的肌肉，同时想象做出五种常见的抓握动作
在完成这15分钟的训练后，志愿者被要求进行一些标准化测试，以展示手的力量和灵巧性
这些任务包括堆跳棋、翻页、用笔写字、举起沉重的球，以及捡起像草莓和面包这样的易碎物品
他们用一只更硬的市售仿生手重复了同样的测试，发现在大多数任务中，充气假肢与刚性假手一样好，甚至更好
一名志愿者还能够在日常活动中直观地使用软假肢，例如吃饼干、蛋糕和苹果等食物，以及处理笔记本电脑、瓶子、锤子和钳子等物品和工具
这位志愿者还可以安全地操纵这个湿软的假肢，比如和某人握手，触摸一朵花，抚摸一只猫
在一项特别令人兴奋的练习中，研究人员蒙住志愿者的眼睛，发现他可以分辨出他们戳和刷的是哪个假手指
他还能“感觉”放在假手里的不同大小的瓶子，并作为回应举起它们
该团队认为这些实验是一个有希望的迹象，表明截肢者可以用充气手重新获得某种形式的感觉和实时控制
该团队已经通过麻省理工学院申请了该设计的专利，并正在努力改善其传感和运动范围
“我们现在有四种抓型
还可以有更多，”赵说
“这种设计可以通过更好的解码技术、更高密度的肌电阵列以及可以戴在手腕上的更紧凑的泵来改进
我们也想为大规模生产定制设计，这样我们就可以将软机器人技术转化为造福社会
"
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