仿生手随心而动 肢残人士重“掌”人生

仿生手随心而动 肢残人士重“掌”人生

编辑：汤晓雪 来源：科技日报 浏览次数： 次 发布时间：2021-12-21 09:22:17 【字体：小 大】

　　“十三五”期间，掌我国通过实施精准康复服务行动等，仿生累计为1252.5万残疾人提供辅助器具服务。手随士重在诸多高科技辅具中，动肢通过采集、残人处理人体肌电神经电信号，人生帮助佩戴者重获双手功能的掌智能仿生手，正为越来越多的仿生肢残人士带去福音。

　　握笔、手随士重沾墨、动肢下笔一气呵成……12月8日，残人在浙江杭州人工智能小镇内，人生有着4年智能仿生手佩戴经历的掌倪敏成向科技日报记者展示书法。他介绍，仿生自己可以用意念精准控制仿生手的手随士重每根手指。这对机械臂已经成了他身体的一部分。

　　传统的功能性义肢需要通过物理按键或摇晃等方式，才可以实现简单的手势切换。近年来，脑机接口、人工智能等前沿技术不断发展，在残障人士辅助器具领域得到广泛应用。

　　“十三五”期间，我国通过实施精准康复服务行动等，累计为1252.5万残疾人提供辅助器具服务，2020年残疾人基本辅助器具适配率超过80%。在诸多高科技辅具中，通过采集、处理人体肌电神经电信号，帮助佩戴者重获双手功能的智能仿生手，正为越来越多的肢残人士带去福音。

　　用脑机接口技术实现对仿生手的控制

　　一只完整的手拥有27块骨头，由34块肌肉牵引完成动作，被48条神经控制……多年来，国内外研究人员致力于研制出形状性能与人手一致的义肢。在上个世纪80年代，我国部分高校院所就开始着手相关工作，研制出了若干具有一定灵活度的多指仿生手，并积极尝试完善其功能。

　　自1924年，德国医生贝格尔在人类历史上首次记录到人脑脑电波活动现象，脑机结合研究的纪元就已开启。1999年，人类首次实验证明大脑皮层神经元群可以直接控制机械手臂，这一发现极大地促进了脑机接口技术用于义肢研发。

　　人的动作意图由大脑发出，经由脊髓传递到外周神经，支配肌肉运动。这一过程中，肌肉内还伴随可观测的肌电信号。以往，国外肌电仿生手产品主要靠感应手臂两侧屈肌和伸肌肌电信号，映射至机械臂完成动作，对大脑行动想法的呈现和执行依然有限。

　　“不妨将大脑发出动作指令到肢体动作完成的过程理解为拨电话，残肢则是被切断的电话线，信号汇集在那，只是暂时无法输出。”哈佛大学脑科学中心博士、强脑科技有限公司创始人兼CEO韩璧丞认为，智能仿生手的变革之处在于应用脑机接口技术，将“电话线”切断处的神经信号更精细化处理后再传递出去。

　　据了解，脑机接口技术可分为侵入式与非侵入式两大类。前者采用在脑部植入电极的方式，后者则是在头皮上涂抹导电膏、佩戴采集设备获取脑电信号。二者各有优劣，但后者接受度相对较高。

　　“脑电信号强度为几十微伏，比肌电信号更弱，相当于一节5号电池电流强度的百万分之一，要捕获它，堪比搜寻50公里外的蚊子振翅声。”韩璧丞表示，为了捕获极其微弱的脑电信号，其团队通过革新电极材料，制成采集脑电信号的传感器，实现脑电信号的大规模精准采集，建立起了庞大的脑电及肌电神经电数据库。他们基于此研发出的BrainRobotics智能仿生手，可采集残肢的肌电神经电信号，再经过深度学习的神经网络算法还原大脑中的动作意图。

　　完善智能仿生手功能让它更似人手

　　轻轻拿起一颗鸡蛋，既不让鸡蛋脱手，也不会用力过猛将其捏碎。这对常人来说，是毫不费力的事情。但对仿生手而言，从生理信号采集识别，到产品材质、构造，都需要经过缜密设计才能实现这个功能。

　　此前，由德国奥托博克公司研发的“米开朗基罗之手”，每根手指上均安装有传感电极，具有7种不同抓取能力。随着技术迭代和设计优化，目前国内在售的智能仿生手，已可实现20多种手势动作，具备10个活动关节，手腕处可集成位置、力量、姿态、加速度等传感器，从而模拟人手的感知能力。

　　“仿生手内置的肌电感应传感器与算法处理单元负责获取动作意图，具体实现有赖于灵活的手指关节保障驱动自由度。”强脑科技有限公司的体验官古月介绍，自己佩戴仿生手一年多，不仅能完成拿鸡蛋、拧瓶盖、系鞋带等日常动作，还能完成跳绳、攀岩这类剧烈运动，比个“OK”“666”也不在话下。

　　记者了解到，现有商业智能仿生手虽然取得了很大的进步，但仍存在对环境情况感知不够、小臂处构造僵硬、生物感不强等问题。此外，智能仿生手的应用尚难摆脱肌电信号控制，因此对高位截瘫和肌肉损伤患者无能为力。

　　为此，浙江大学宁波研究院夏庆华团队开发出表面覆盖有柔性多维感知传感器阵列的智能软体仿生手，用于感知外部压力、滑觉、温度、湿度，并据此调节仿生手的状态。在接触到结构较硬或较软的物体时，仿生手自身刚度也随之调整。

　　“基于团队搭建的脑电和肌电信号数据库，去年我们发布了以人机物联网为核心理念的BrainOS大脑智能操作系统。”韩璧丞介绍，通过该系统，未来或许可以让具备脑机接口的设备侦测到用户的脑电信号，并将其直接输送给智能终端，实现隔空对智能终端进行操作。

　　智能仿生手进一步普及还需持续优化

　　根据中国残疾人联合会数据显示，2010年末，我国残疾人总人数约8502万人，其中肢体残疾约2472万人。中国残疾人联合会相关负责人介绍，到2025年，我国残疾人基本辅助器具适配率预计将达到85%以上。

　　今年7月，国务院发布的《“十四五”残疾人保障和发展规划》提出，要加快康复辅助器具创新产品研发生产，增强优质康复辅助器具供给能力，推动康复辅助器具服务提质升级;鼓励实施公益性康复辅助器具适配项目。

　　“由于康复辅助器具价格较高的原因，残疾人群体购买力不强。这就要求企业一方面要持续改进工艺、降低生产成本，另一方面要积极参与公益，承担社会责任。”韩璧丞介绍，近几年，其公司通过与中国残疾人联合会及相关慈善机构合作，以资助计划等活动形式，为肢体残疾人士免费安装了数百只智能仿生手。

　　除此之外，上海傲意信息科技有限公司、丹阳假肢厂有限公司等国内企业，近年来同样开始致力于智能仿生手的商业化及公益普惠，连续几年在上海、广西桂林、云南昆明等城市为多位上肢缺损者提供智能仿生手的免费安装及售后服务。

　　“智能仿生手具有较精密的结构，成本自然也高。近年来国内企业逐渐崛起，打破了国外产品对该领域的垄断，产品价格从数十万元降至十万元左右。”业内专家表示，未来仿生手在满足人手所需基本功能的同时，在价格低廉、易于维护方面，还需研发人员持续优化。

　　洪恒飞 记者 江 耘