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让截肢者能握拳、能撸猫!MIT和上海交大发现充气机械手

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分类:科技

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智器械(民众号:zhidxcom)

编译 | 健恩

编辑 | 高歌

智器械8月20日新闻,麻省理工学院和上海交通大学的工程师设计了一种柔软、轻盈且低成本的神经假肢手。这是一款充气的机械手,名叫EcoFlex。残疾人装上它 ta[之后可以行使自身的肌肉信号控制这只机械手,做出拉拉链、握手等动“dong”作,甚至还可以“撸猫”。

研究者称,EcoFlex的重量仅有(you)292克【ke】重,且与传统的可由肌肉信号控制的假肢相比成本大大下降,成本总计约500美元(约合人民币3240元)。

该研究于8月16日揭晓在Nature子刊《自然-生物医学工程(Nature Biomedical Engineering)》上,论文问题为《提供同步肌{ji}电控制和触觉反馈的柔软神经假肢手(A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback)。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41551-021-00767-0

一、比传统假肢更轻更廉价,新软体假肢只要3千多元

目宿天下上有跨越500万人接受过截肢手术,市面上对于假肢的需求较为重大。假肢手艺已经取得了长足的提高,除了有类似于肢体模子的假肢存在外,另有越来越多的商业神经假肢。

神经假肢这种仿生肢体可以感知残疾人的肌肉信号,并做出他们想要作的动作。这种假肢听起来相当科幻,然则这种高科技带来的灵巧性是有价值的。神经假肢的价钱可能高达上万美元,而且它是行使金属骨架打造的,再加上驱动它的电机,整个假肢又重又硬。

为了让神经假肢更天真轻盈,并降低制造成本,麻省理工学院和上海交通大学的工程师们设计出了一种柔软、轻盈的神经假肢手。他们将这种假肢手命名为EcoFlex。

EcoFlex由柔软、有弹性的质料制成,而且靠充气驱动。它的重量仅有292克,而且它的组件总计价钱只有约莫500美元(约合人民币3240元)。

研究职员还为它装上了触觉反馈系统,可以让假肢与人类的手一样拥有触觉。截肢者戴上EcoFlex后可以实现一些一样平常流动,如拉拉链、倒果汁等。在某些情形下,EcoFlex的显示甚至比传统的金属假肢还要好。

研究者还发现,这【zhe】种新设计的假肢手不仅重量轻、成本低还异常耐用,被锤子敲击甚至被汽车碾压后都能够迅速恢复。

麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授Xuanhe Zhao说:“这还不是一个完整的产物,然则它所显示出来的性能已经靠近甚至优于现在市面上存在的神经假肢,这让我们感应兴奋。制作这种假肢的成本异常低,对于低收入家庭的截肢者来说,有很大的应用潜力。”

二、EcoFlex由气体驱动,研究者还让它拥有触觉

与其他软体机械人类似,EcoFlex由柔软、有弹性的质料制成。该假肢包罗五个气球状的手指,每个手指都嵌入了纤维段,类似于人类手指上的枢纽骨。弯曲的软体手指毗邻到了一个3D打印的“手掌”之上。

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EcoFlex不像市面上大多数的神经假肢那样让电『dian』机控制每个手指,而是使用一个简朴的气动系统来准确的给手指充气,让它们可以在特定的〖de〗位置弯曲或伸直。

该气动系统包罗一个小型气泵和阀门,可以佩带在腰部,有用地减轻了假肢自己的重量。

麻省理工学院博士后Shaoting Lin开发了一个盘算机模子,将手指的弯曲水平与气泵施加的响应的力相关联。使用这个模子,该团队开发了一个控制器,可以指导气动系统为手指充气,以此实现常见的抓握动作,好比两个或三个手指捏在一起、握拳、握手等。

▲自愿者实验控制假肢握拳

当人们想做出某种动作的‘de’时刻,运动神经元会发生电信号以控制肌肉,该团队用现有算法解码肌电信号,并将其与常见的抓 zhua[握类型相关联。气动系统正是{shi}通过与截肢者肢体相连的肌电传感器来接受这种信号,并以此控制神经假肢。

好比,当截肢者想象自己拿着羽觞时,传感器就会吸收到其肌电信号,然后控制器将其转换为响应的压力值。气泵会凭证这些压力值来使每‘mei’个手指枢纽发生响应的膨胀而弯曲,以此实现截肢者想要的抓握动作。

仅仅能实现抓握还不够,研究者希望能够让EcoFlex拥有触觉反馈,这是大多数商业神经假肢中没有的功效。

为此,它们在每个指尖上安装了一个压力传感器,当触摸或挤压到该传感器时,会发生与其感受到的压力成正比的电信号。每个传感器都与截肢者残肢的特定位置相连,好比当假肢的拇指被按压时,截肢者就可以感受到代表拇指的位置受到响应力度的刺激。

三、仅培训15分钟就能使用,自愿者甚至还能“撸猫”

为了测试EcoFlex,研究职员招募了两名上肢截肢的自愿者。经由15分钟的培训后,自愿者被要求‘qiu’举行一系列的尺度化测试。这些测试义务包罗垒棋子、翻页、写字、举起较「jiao」重的球体、捡起地上的草莓及面包等。

研究者同样让自愿者使用市面上用坚硬质料制作的仿外行举行了相同的测试,效果发现EcoFlex在大多数义务上和这些传统仿外行效果平起平坐,甚至在某些义务上显示更好。

一名自愿者用上EcoFlex之后能够在一样平常生涯中轻松的使用它,好比可以用来吃饼干、蛋糕、苹果等食物,也能使用条记本电脑、瓶子、锤子、钳子等(deng)工具,甚至还能与人握手和“撸猫”。

▲自愿者在“撸猫”

在另外一项测试中,研究职员蒙住了自愿者的眼镜,发现他们可以鉴别出来研究职员是在戳他们的假手指照样在抚摸他们的假手指。研究者还发现他们能够“感受”到放置「zhi」在假手中差异巨细的瓶子的区别。

这些试验解释截肢者可以行使EcoFlex重新获得某种形式上的触觉,也能行使EcoFlex来控制物体。

该《gai》团队已经通过麻省理工学院为该设计申请了专利,并『bing』在起劲改善其传感和运动局限。“我们现在可以实现的抓我类型照样太少,接下来将通过更好的解码手艺、更高密度的肌电阵列和可以戴在手腕上的更紧凑的气泵来改善EcoFlex。我们还想做出可批量生产的设计,这样我们就可以行使这一手艺造福社会。”Xuanhe Zhao说。

结语:EcoFlex让通俗家庭也能用得起神经假肢

能够让使用者通过肌肉信号 hao[控制的假肢早已不是什么新鲜的器械,然则传统的神经假肢往往粗笨且昂贵,远不是通俗家庭能够遭受的起的。

现在,麻省理工学院与上海交通大学的研究者让神经假肢加倍轻盈天真的同时,还大大降低了其成本,使其成本仅有3千余元,让低收入‘ru’家庭也能用得起神经假肢。

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