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《科学机器人》封面:真正的仿生手来了,可恢复截肢者90%以上功能

学术头条2020-09-25 15:09发文

使用具有同等能力和效率的人工设备来取代人手,是一个长期的挑战。

使是最先进的假肢手臂,也无法达到人类手的复杂性、灵活性和适应性。当前我们能够见到的上肢假肢系统,只能称为一种工具,而不能成为失臂或失手者的替代品。

在最新一期Science Robotics《科学机器人》封面中,意大利理工学院IIT实验室就展示了一款最新开发的仿生手Hannes,不仅外观与人手非常相似,而且可使截肢患者恢复90%以上功能,其设计理念也被授予Compasso d'Oro国际工业设计奖。

该仿生手Hannes是一种包括手和腕等多关节的上肢假肢系统,其特点是柔软性较好且具有动态适应要抓握物体形状的能力。

为了评估Hannes的有效性和实用性,研究人员对上肢截肢者进行了试验,结果发现,截肢患者在不到一周训练时间内,就可以在家中自行使用Hannes进行日常活动。

目前,仿生手Hannes已获得CE标志,并准备进入国际医疗市场。

‍让身体残疾的患者恢复残肢的功能,是科学家一直以来努力的方向。

2013年,意大利理工学院Istituto Italiano di Tecnologia(IIT)实验室便开展了一系列的项目,旨在为身体残障患者开发具有创新性和成本效益的高科技仿生设备。

其与意大利国家工伤保险研究所的Prosthen假肢部门的研究人员,骨科医生,工业设计师和患者共同设计而成的仿生手就是最新科研成果。

为致敬19世纪60年代Centro Protesi Inail技术总监和上肢假肢的开拓者Johannes“ Hannes” Schmidl教授,故将此款仿生手命名为“Hannes”。

既往研究和商业售卖的仿生手要么具有很高的性能,但价格昂贵,要么价格低廉,虽坚固耐用但通用性有限且美学效果差。与以上仿生手相比,这款仿生手“Hannes” 不仅容易操作,坚固,成本低,且握力和外观可与人手相媲美,显示出其卓越的性能。

Hannes仿生手是一个肌电系统,可根据患者上肢不同程度的损伤进行调节。放置在定制插座中的一系列表面肌电传感器可以检测患者残余肢体的肌肉活动,患者通过主动收缩肌肉来进行多种操作。

此外,研究人员开发出特定的软件和蓝牙连接用来自定义Hannes仿生手的操作参数,例如运动的精度和速度,从而为每位患者提供最佳的体验。

该仿生手可供患者佩戴一整天(电池最长使用时间为1天,容量为1300 mAh),且已在使用超过1年的环境中进行了耐久性和稳健性测试(近500000个生命周期)。

Hannes仿生手最强的在于其机械设计,在目前市场领域也是遥遥领先。其使用的机械差速系统使得Hannes仿生手仅使用单个马达就可适应要抓握的物体,而且,该系统的效率与人手相一致。此设计让Hannes仿生手具备自然手感的同时,其功能也大幅增加。

目前,Hannes仿生手重量为450克,具有右手和左手各两种尺寸,分别适用于女性和男性受试者。

此外,Hannes仿生手的手指和手腕活动也十分灵活。其手指在静止时可以自然弯曲和定位。其中,拇指可以定位于3个不同的位置,以适应多种抓取操作,包括拾取小物体的精细抓取,握住小物体的侧向抓取以及可抓取和移动重物的强力抓取。整体抓取有效且稳健。

该仿生手还能使腕部做出关键的旋转运动,如使腕部前旋和后仰。这样使得Hannes仿生手在不损害患者情况下可实现不同方向的抓取。

而且,Hannes仿生手抓握的速度也非常快,其在不到1秒的时间内就可完成完全闭合抓握,最大抓握力可达150N,远远超过其他研究和商业售卖的“仿生手”。

目前,IIT-INAIL专利申请书包含了Hannes仿生手的基本原理和设计。而且,Hannes仿生手也已经具备欧洲市场上商业化和国际销售的“许可证”。目前研究人员正在寻找投资人和公司以大规模工业化生产Hannes仿生手,最终使残障患者获益。


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