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仿生假肢能開鎖、寫字、用電鉆，真手假肢傻傻分不清？

2020-11-04 12:01

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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看點：意大利的研究人員開發出獨特的仿生假肢，具有復制人類手部關鍵生物學特征的能力。

智東西11月3日消息，在最近刊出的《Science Robotics》雜志中，有一篇文章描述了一款具備人類手部關鍵生物學特征能力的仿生假肢。

來自意大利技術研究所和意大利INAIL假肢中心的研究人員在報告中稱，這款仿生假肢具備自然協同和適應性運動能力，其在力量、速度、穩健性等方面都高度模擬人手。

▲Hannes假肢現實中多場景使用情況

這款仿生假肢名為“Hannes”，是由研究所的研究人員、矯形外科醫生、工業設計師和患者共同開發的，能夠為手部截肢患者恢復超過90%的手部功能。

這款仿生假肢采用了機電一體化等技術提升操作自然度及使用效率，試驗證明，Hannes能在一周時間內被熟練應用，可以轉動鑰匙、按壓噴壺、握筆寫字，還能在不到1秒內完成完全閉合的抓握，并施加150N的抓力。

Hannes有什么神奇之處？它是如何做到近乎逼真地模擬人手動作的？背后有什么創新技術？讓我們跟隨文章一同了解。

一周熟練使用，能恢復超九成手部功能

Hannes是一種擬人化、多關節的手部假肢系統，覆蓋手部和手腕部分。Hannes最主要的特點是其柔軟性，以及它具備的動態適應抓取不同形狀物體的能力。

▲Hannes假肢產品圖

Hannes與人類的手非常相似，并且由于患者也參與了Hannes的開發，這款仿生假肢也相對更具有實際的應用價值。

為了評估Hannes的有效性和可用性，研究人員讓截肢患者使用Hannes進行了試驗，結果表明，經過不到一周的訓練，患者已經可以自主使用Hannes完成日常生活中的大量活動。

機電一體化提升工作效率

Hannes主要由三個相互作用的部分構成：包括一個肌電多關節假肢手、一個屈曲手腕模塊以及一個肌電系統控制器。其中，肌電系統內包括兩個表面肌電圖傳感器、電池組和控制電子設備。

▲Hannes的體系結構

這一肌電系統使得患者可以整天佩戴Hannes，還能調整各種上肢損傷。Hannes的工作原理是，通過一組放置在定制插座中的表面肌電傳感器，就可以監測到手臂下部或較高部位殘留肢體肌肉的活動，使用者主動收縮可控制的部分肌肉就能操作Hannes執行多個動作。

▲Hannes假肢戴上類似人手的手套后進行抓握操作

Hannes的另一個重要組成部分是一個屈曲手腕模塊，這一模塊根據交互作用力能使假肢自然彎曲，并且適應正在執行的抓握任務。

此外，通過專門開發的軟件和藍牙連接，使用者還能夠定制假肢的操作參數，例如移動的精度和速度，以確保適應每一位使用者。

Hannes最大的亮點在于機械設計，它的手掌中容納了電動執行器、控制板、傳感器和傳動機構等組件。其動力總成系統由一個緊湊的、高功率密度的直流電動機以及一個定制的擺線齒輪箱組成。

這一動力系統由一個機械差速系統驅動，動力總成系統驅動導線，從而將力傳遞，并加快了手掌中電纜機制的運行速度。電動機將電力通過導線，穿過兩個安裝在線性導軌上的差動元件，其中每個差動元件都由定制的軸承和轉輪等零件組成。

這一系統將Hannes的驅動核心集中在了單個電動機內，這不僅提高了這款仿生假肢的性能，還大大提升了它的工作效率。

▲Hannes機電一體化部件部署

重450克，能扭鑰匙、拿重物

Hannes的重量為450克，大小對應人體尺寸的“第50百分位”，也就是對應中等個子身材的人。目前Hannes已經有兩種尺寸對應男性與女性，以及便于使用者進行左右手的替換。

▲Hannes與“第50百分位”的人手尺寸對比圖

Hannes使用起來非常自然，即使手指在靜止時也可以自然地彎曲和定位。特別的是，Hannes的拇指可以在三個位置上定向，能夠復制人手各種各樣的抓握動作，包括精準拾取小物體并進行橫向移動，以及通過電動抓握方式移動重物。

▲Hannes精準抓取并移動物體

此外，Hannes的機械系統還允許手腕進行內旋和外旋，例如進行旋轉鑰匙開鎖的動作。Hannes允許患者進行不同方向的抓握動作，而不會對患者的身體產生副作用。

Hannes還能在不到1秒鐘的時間內完成完全閉合的抓握，并且可以施加最大150N的抓握力，Hannes這方面的性能遠遠超過了其他商用多關節假肢。Hannes的電池規格為12V的電源及1300mAh的電池容量，能支持它使用一天。

結語：新式仿生假肢成殘疾患者福音

Hannes仿生假肢由于結合了研究人員、患者、醫生等各方相關人士意見，因此更加貼合截肢患者的需求。手腕內外旋，手掌不同抓取方式更加靈活也讓Hannes不止成為一種單一的工具，更像是為患者定制了一只“真手”。我們期待這一產品能夠商用落地，為手部截肢患者帶來福音，為他們的生活提供便捷。