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“不妥协”的仿熟手登上《迷信-机器人》封面!外观高度相似人手,续航一整天

科幻动作片《阿丽塔:战役天使》中,26 世纪的女主在渣滓场被发现并改造为机械身体,重获重生后战役力惊人。

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而在 21 世纪的理想世界,遭遇不测不得已截肢的患者安装假肢继续生活、工作的例子也的确存在。

近日,有这样一款全新的仿熟手问世,它仿照了人手的关键特性,可使患者恢复 90% 以上功能,仿熟手在复杂性、灵敏性和顺应性方面有了新打破。

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可以运用剪刀和喷壶。

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也能准确完成抓取-放置义务。

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登上《迷信-机器人》封面


这种仿熟手被称为 Hannes,由来自意大利理工学院和意大利国家工伤保险研讨所 INAIL 假肢中心的迷信家团队研制。

2020 年 9 月 23 日,研讨团队的论文发表于《迷信-机器人》(Science Robotics),题为 The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand(Hannes 手复制了人手的关键生物特性)。

值得一提的是,这篇论文也登上了最新一期《迷信-机器人》杂志封面,看上去科技感十足。

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论文引见,要想把一款假肢做到和人手才能分歧、效率相当的地步,并非易事。

正如研讨团队所说:

假肢照旧只是一种工具,无法代替患者得到的那一部分所提供的生理功能。

不断以来,迷信家们设计假肢安装,次要参考的关键要素有这样几种:

    包括运动学、尺寸、分量和外观在内的「拟人」特征;

    速度、力气和灵敏性等功能;

    波动、有协调性的的抓握才能。

而理想是,即便是由患者残肢肌肉的电信号控制的、具有好几个灵敏自在度的最为先进的假肢,也无法达到人手的复杂性、灵敏性和顺应性。由于功能不佳,假肢废弃率居高不下。

因此,研讨团队希望打造一款出更趋近于人手特征的设备——实践上一些迷信团队曾提出主张,以为可以在上述关键要素中做取舍、停止权衡,但意大利理工学院和意大利国家工伤保险研讨所 INAIL 假肢中心的研讨团队的看法是:任何特性都不该忽略,应该遵照一种不妥协的全体设计方法。

以这种设计理念为指点,仿熟手 Hannes 在科研人员、患者、整形外科医生和工业设计师的共同努力下问世——其设计理念还被授予了意大利 Compasso d'Oro 国际工业设计奖。

高度「拟人化」的 Hannes


来详细看看仿熟手 Hannes 有哪些特别之处。

Hannes 由三大次要的交互组件组成:

    一个肌电多关节假肢,采用了基于差动机构的欠驱动结构;

    被动屈伸(F/E)伎俩模块;

    肌电接口/控制器,包括两个表面肌电(sEMG)传感器、电池组和控制电子元件。

可以参考下面这张酷酷的图示——A 部分展现的是,直流电机和电机控制板内嵌于 Hannes 中,而肌电接口/控制器则位于插座内,而 F / E 伎俩位于二者之间;B 部分是带上手套的 Hannes 。

这里值得一提的是,用于 Hannes 供电的电池组续航长达一整天。当不运用 Hannes 时,用户可以应用磁性插头衔接器为电池充电。控制器可以向手发送随肌肉激活比例添加的速度参考,因此这套设备可以针对不同患者调整控制参数,完成对每位患者准确的运动和力气辅助。

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Hannes 手掌和手指部分的尺寸如下,研讨团队拿它和人手中位数数据(虚线程度)停止了比较。

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可以看出,Hannes 显示出了极高的「拟人化」——与人手最大的差异体如今中指,差值为 4.8%。

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Hannes 除远端指间关节(DIP)之外的一切手指自在度都被完成;拇指表现出了不同的运动学特性,例如指间关节(IP)和 MCP 关节是锁定的、向外展开是受驱动的、旋转是被动的。

如下图 A 所示,患者可经过适当调理肌电 EMG 活动来调理力的添加与减小,当施加激烈的 EMG 激活时,Hannes 可在 0.25 秒内迅速闭合,力气最大为 150 N。B 图表明,Hannes 可在不到 1 秒的工夫内完成完全闭合。

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为进一步评价 Hannes 的有效性、可用性,三位患者参与了为期大约 2 周的实验,其中#1 和#2 参与者经过 Hannes 的辅助,有较好的表现,执行义务所需工夫分别减少了约 10% 和 30%。也就是说,Hannes 曾经达到了完成日常生活活动(ADLs)的要求。

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从实验室步入市场


研讨团队表示,过去十年中,迷信家们不断试图设计功能和物理特性接近人手的假肢设备。其中,3D 扫描对侧肢体和“累积制造技术”(additive manufacturing techniques)都是一些较为新颖的设计方法。

在研讨团队看来,在众多设备中,最为成功的落地产品分别是:

美国、德国迷信家结合设计的“米开朗基罗之手”,2013 年末尾有患者安装这种设备。

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成立于 1919 年的德国假肢巨头 Ottobock 设计的设备。

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一家英国公司 2007 年终次推出的 i-Limb 仿熟手,也是世界第一个商业化仿熟手。

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说回仿熟手 Hannes,目前它已获 CE 标志,也将进入医疗市场。研讨团队正在寻觅投资人,希望末尾量产这种仿熟手,造福更多患者。

但需求明白的是,虽然和实验室或市面上的一些假肢比起来,Hannes 的功能有不小的提升,但无疑它做出动作的速度照旧低于人手,仿熟手仍有很大的提升空间。

援用来源:

https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb0467

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大神点评4

zhangqun张 2020-10-17 10:42:51 显示全部楼层
非常支持
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wangxin168 2020-10-18 13:42:40 显示全部楼层
我有个小建议,楼主把内容写详细点吧才会吸引更多读者呀。
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佩服佩服!
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源叔。 2020-10-19 19:29:07 显示全部楼层
楼主呀,,,您太有才了。。。
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