机械臂为截肢患者带来实时触觉控制
全球超过500万上肢截肢者，假肢技术已经走过了漫长的道路。除了外形像人体模型的传统义肢，越来越多的商用神经假肢问世——这类具有高度关节活动能力的仿生肢体，能够读取患者残存肌肉的信号，并由机器人模拟其预期动作。
然而，这种高科技的灵巧性也有代价。神经假肢的价格可能高达数万美元，并且基于带有电机的金属骨架构建，往往笨重且僵硬。
麻省理工学院（MIT）与上海交通大学的工程师开发出一款柔软、轻便且成本可能较低的神经假肢手。截肢者在测试中完成了日常动作：拉上行李箱拉链、从纸盒中倒果汁，以及抚摸猫咪。
他们完成这些动作的效果都同样出色，在某些情况下甚至优于使用较硬神经假肢的人。研究人员发现，配备触觉反馈系统的假肢帮助一名志愿者恢复了残肢中的一些基本感觉。
这种新设计还异常坚固，遭受锤击或汽车碾压后能迅速恢复。这款智能手柔软且有弹性，重约200克。其零部件成本约为500美元，仅为较硬智能肢体材料成本和重量的一小部分。
“这还不是成品，但其效果已与现有神经假肢相当，甚至更好，这一点我们非常欣喜。将这种柔软假肢以极低价格提供给因截肢而受影响的低收入家庭，潜力巨大”
这只手的设计让人联想到动画片《英雄城》中的充气机器人。人工手由柔软的弹性材料制成，即商用EcoFlex弹性体。假肢包含五根手指，每根手指都覆盖着纤维段，类似真实手指的关节骨骼。它们连接到一个形状类似人手的三维“手掌”上。
与大多数神经假肢用电机控制每根手指不同，研究人员采用了一套简单的气动系统，精确地为手指充气并使其弯曲到特定位置。该系统由一个小型泵和阀门组成，可以佩戴在腰间，从而显著减轻假肢本身的重量。
团队开发了一个计算机模型，将手指的目标位置与泵为达到该位置所需施加的压力相对应。研究人员还设计了一个控制器，引导气动系统将手指充气至模拟五种常见抓握动作的位置，包括两指并拢和三指并拢以及握拳。
气动系统接收来自EMG（肌电图传感器）的信号，这些传感器测量运动神经元为控制肌肉而产生的电信号。传感器安装在假肢的接口处，即假肢与使用者肢体连接的位置。它们能够捕捉残肢发出的信号，例如截肢者想象自己握拳时的信号。
一种专门的算法“解码”肌肉信号，并将其与常见的抓握类型相匹配。工程师利用该算法为其气动系统的控制器编程。
当使用者想象自己握着一只酒杯时，传感器捕捉到残余的肌肉信号，控制器将其转换为相应的压力。随后，泵施加该压力为每根手指充气，从而实现使用者所需的抓握动作。
研究人员希望加入触觉反馈功能，而这一功能在大多数商用神经假肢中并未包含。为此，他们在每根指尖上安装了压力传感器，接触或受压时会输出与感受到的压力成正比的电信号。每个传感器都连接到使用者残肢的特定位置，因此它能够“感觉”到例如是拇指而非食指在按压。
为了测试这款机械手，研究人员招募了两名上肢均被截除的志愿者。佩戴神经假肢后，他们通过反复收缩手部肌肉并想象五种常见抓握动作，学会了如何使用它。
完成15分钟训练后，他们被要求进行一系列标准测试，以展示手部的力量和灵活性，包括叠放跳棋、翻页、用笔写字、举起重球以及拾取易碎物品（如草莓）。他们又使用较硬的仿生手重复这些测试，发现充气假肢的表现同样出色，甚至更好。
其中一名志愿者能够直观地在日常活动中使用这款柔软假肢，包括进食（甚至是饼干）以及操作各种物品（笔记本电脑、瓶子、锤子和钳子）。他能够安全地操控假肢与他人握手、触碰花朵或抚摸猫咪。
最引人注目的实验是：研究人员蒙上志愿者的眼睛，发现他能够分辨出被触碰的是哪根手指。他还能“感受”放入假肢中的不同尺寸的瓶子。团队认为，这些实验是一个充满希望的信号，表明截肢患者可以借助充气机械手实时恢复一定形式的感觉和控制能力。
