“不妥协”的仿生手登上《科学-机器人》封面！外观高度类似人手，续航一整天

 　　科幻动作片《阿丽塔：战斗天使》中，26 世纪的女主在垃圾场被发现并改造为机械身体，重获新生后战斗力惊人。

　　而在 21 世纪的现实世界，遭遇意外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生手问世，它仿照了人手的关键特性，可使患者恢复 90% 以上功能，仿生手在复杂性、灵活性和适应性方面有了新突破。

　　可以使用剪刀和喷壶。

　　也能准确完成抓取-放置任务。

登上《科学-机器人》封面

　　这种仿生手被称为 Hannes，由来自意大利理工学院和意大利国家工伤保险研究所 INAIL 假肢中心的科学家团队研制。

　　2020 年 9 月 23 日，研究团队的论文发表于《科学-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《科学-机器人》杂志封面，看上去科技感十足。

　　论文介绍，要想把一款假肢做到和人手能力一致、效率相当的地步，并非易事。

　　正如研究团队所说：

　　假肢仍然只是一种工具，无法代替患者失去的那一部分所提供的生理功能。

　　一直以来，科学家们设计假肢装置，主要参考的关键因素有这样几种：

　　包括运动学、尺寸、重量和外观在内的「拟人」特征；

　　速度、力量和灵活性等性能；

　　稳定、有协调性的的抓握能力。

　　而现实是，即便是由患者残肢肌肉的电信号控制的、具有好几个灵活自由度的最为先进的假肢，也无法达到人手的复杂性、灵活性和适应性。由于性能不佳，假肢废弃率居高不下。

　　因此，研究团队希望打造一款出更趋近于人手特征的设备——实际上一些科学团队曾提出主张，认为可以在上述关键因素中做取舍、进行权衡，但意大利理工学院和意大利国家工伤保险研究所 INAIL 假肢中心的研究团队的看法是：任何特性都不该忽略，应该遵循一种不妥协的整体设计方法。

　　以这种设计理念为指导，仿生手 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

　　来具体看看仿生手 Hannes 有哪些特别之处。

　　Hannes 由三大主要的交互组件组成：

　　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）手腕模块；

　　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 部分展示的是，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 手腕位于二者之间；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。当不使用 Hannes 时，用户可以利用磁性插头连接器为电池充电。控制器可以向手发送随肌肉激活比例增加的速度参考，因此这套设备可以针对不同患者调整控制参数，实现对每位患者精确的运动和力量辅助。

　　Hannes 手掌和手指部分的尺寸如下，研究团队拿它和人手中位数数据（虚线水平）进行了比较。

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

　　Hannes 除远端指间关节（DIP）之外的所有手指自由度都被实现；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，患者可通过适当调节肌电 EMG 活动来调节力的增加与减小，当施加强烈的 EMG 激活时，Hannes 可在 0.25 秒内迅速闭合，力量最大为 150 N。B 图表明，Hannes 可在不到 1 秒的时间内完成完全闭合。

　　为进一步评估 Hannes 的有效性、可用性，三位患者参与了为期大约 2 周的试验，其中＃1 和＃2 参与者通过 Hannes 的辅助，有较好的表现，执行任务所需时间分别减少了约 10％ 和 30％。也就是说，Hannes 已经达到了完成日常生活活动（ADLs）的要求。

从实验室步入市场

　　研究团队表示，过去十年中，科学家们一直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。

　　在研究团队看来，在众多设备中，最为成功的落地产品分别是：

　　美国、德国科学家联合设计的“米开朗基罗之手”，2013 年开始有患者安装这种设备。

　　成立于 1919 年的德国假肢巨头 Ottobock 设计的设备。

　　一家英国公司 2007 年首次推出的 i-Limb 仿生手，也是世界第一个商业化仿生手。

　　说回仿生手 Hannes，目前它已获 CE 标志，也将进入医疗市场。研究团队正在寻找投资人，希望开始量产这种仿生手，造福更多患者。

　　但需要明确的是，虽然和实验室或市面上的一些假肢比起来，Hannes 的性能有不小的提升，但无疑它做出动作的速度仍然低于人手，仿生手仍有很大的提升空间。