「不妥協」的仿生手登上《科學─機器人》封面！外觀極似人手，還能續航整天
作者 雷鋒網
2020-10-01
而 21 世紀的現實世界，遇到意外不得已截肢的患者裝上義肢繼續生活、工作的例子也常有。
近日有一款全新仿生手問世，仿照人手的關鍵特徴，使患者恢復 90% 以上手部功能，仿生手的複雜性、彈性和適應性都有新突破。
登上《科學─機器人》封面
這支仿生手名為 Hannes，由義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所 INAIL 義肢中心的團隊研發。
9 月 23 日，研究團隊論文發表於《科學─機器人》（Science Robotics）期刊，題目為「The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand」（Hannes 手複製人手的關鍵生物特徴）。值得一提的是，這篇論文也登上最新《科學─機器人》封面，看上去科技感十足。
論文介紹，要把義肢做到和人手能力相當、效率相當的地步，並非易事。
正如研究團隊所說：
義肢仍然只是工具，無法替代患者失去的身體部分的生理功能。
一直以來，科學家設計義肢，主要參考的關鍵因素有這樣幾種：
運動學、大小、重量和外觀等「擬人」特徵。
速度、力量和彈性等效能。
穩定、有協調性的抓握能力。
現實是，即便由患者殘肢肌肉的電訊號控制、有好幾個靈活自由度的最先進義肢，也無法和人手的複雜性、彈性和適應性相比。由於效能不佳，義肢廢棄率居高不下。
研究團隊希望打造更接近人手特徵的裝置──但某些科學團隊曾主張，認為可權衡取捨上述關鍵因素，但義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所 INAIL 義肢中心研究團隊的看法是：任何特徴都不該放棄，應遵循不妥協的整體設計。
以這種設計理念為指導，仿生手 Hannes 在研究人員、患者、整形外科醫生和工業設計師的共同努力下問世──設計理念還獲得義大利 Compasso d’Oro 國際工業設計獎。
高度「擬人化」的 Hannes
看看仿生手 Hannes 有哪些特別之處吧。Hannes 由三大主要互動套件組成：
一個肌電多關節義肢，採用基於差動機構的欠驅動架構。
被動屈伸（F / E）手腕模組。
肌電介面／控制器，包括兩個表面肌電（sEMG）感測器、電池組和控制電子元件。
參考下面酷酷的圖示：A 部分展示直流電機和電機控制板內嵌於 Hannes，肌電介面／控制器位於插座內， F / E 手腕位於兩者之間；B 部分是戴上手套的 Hannes。
且 Hannes 電力來源的電池組續航可長達一整天。不使用 Hannes 時，用戶可用磁性插頭連線器充電。控制器可向手傳送隨肌肉啟動比例增加的速度參考，因此這套裝置可針對不同患者調整控制參數，精準輔助每位患者的運動和力量控制。
Hannes 手掌和手指部分大小如下，研究團隊將它和人手中位數資料（虛線）比較。
可看出 Hannes 高度「擬人化」──與人手最大的差異是中指，數值為 4.8%。
Hannes 除遠端指間關節（DIP）外所有手指自由度都和人手類似；拇指表現不同的運動學特徴，例如指間關節（IP）和 MCP 關節鎖定、向外展開受驅動、旋轉被動。
如下圖 A 所示，患者可透過適當調節肌電 EMG 活動來調節力度增加與減小，當施加強烈的 EMG 啟動時，Hannes 可在 0.25 秒內迅速閉合，力量最大為 150N。B 圖表明，Hannes 完全閉合不到 1 秒。
為進一步評估 Hannes 的有效性、可用性，有 3 位患者參與為期約 2 週的測試，1 號和 2 號參與者透過 Hannes 輔助有較好表現，執行工作所需時間分別減少約 10% 和 30%。也就是說，Hannes 有達到日常生活活動（ADLs）的要求。
從實驗室步入市場
研究團隊表示，過去十年科學家一直嘗試設計功能和物理特徴接近人手的義肢。3D 掃描對側肢體和「累積製造技術」（additive manufacturing techniques）都是較新穎的設計。
在研究團隊看來，眾多裝置中，最成功的落地產品分別是：
美國、德國科學家聯合設計的「米開朗基羅之手」，2013 年開始有患者安裝。
成立於 1919 年的德國義肢巨頭 Ottobock 設計的裝置。
英國公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手，也是世界第一支商業化仿生手。
說回 Hannes，目前已獲 CE 標誌，也將進入醫療市場。研究團隊正在找尋投資人，希望能量產造福更多患者。
雖然和實驗室或市面義肢比起來，Hannes 效能有不小提升，但做動作的速度仍比人手慢，仿生手仍有很大的提升空間。
The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand
（本文由 雷鋒網 授權轉載；首圖來源：INAIL）