近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 / 人形機(jī)器人研究院張世武教授、王柳特任教授、金虎副教授與孫帥帥特任教授成功研發(fā)了一種具備 19 自由度的輕質(zhì)仿生靈巧手，能夠復(fù)現(xiàn)人手級(jí)別的功能，有望服務(wù)全球上千萬上肢截肢患者的手部功能重建與日常生活輔助，并應(yīng)用于人形機(jī)器人靈巧操作。相關(guān)成果 1 月 22 日以 "A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions" 為題在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。

人手具備 23 個(gè)自由度，重量?jī)H為人體重量約 1/150，但運(yùn)動(dòng)功能占全身運(yùn)動(dòng)功能的 54%，是體現(xiàn)人類以及人形機(jī)器人工作能力的關(guān)鍵部件。然而，現(xiàn)實(shí)中，包括人形機(jī)器人的靈巧手以及全球超過一千萬名上肢截肢患者的假肢手應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)假肢靈巧手通常使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率密度低，難以在自由度與重量之間找到理想平衡：佩戴超過人手重量（0.4 千克）的靈巧手會(huì)讓患者感到嚴(yán)重不適，而自由度較低（通常少于 10 個(gè)）靈巧手僅能實(shí)現(xiàn)有限的抓握動(dòng)作，遠(yuǎn)不及人手的靈活性。這些限制導(dǎo)致接近一半的假肢靈巧手被患者放棄使用。因此，兼顧高自由度靈巧運(yùn)動(dòng)和舒適佩戴的設(shè)計(jì)方法是假肢靈巧手領(lǐng)域的重要科學(xué)問題之一。

研究團(tuán)隊(duì)以高功重比形狀記憶合金（SMA）為人工肌肉驅(qū)動(dòng)，仿生設(shè)計(jì)了類肌腱傳動(dòng)系統(tǒng)放大 SMA 的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)減小傳動(dòng)阻力，基于類肌腱分離傳動(dòng)特征在手指及手腕內(nèi)嵌入 23 組傳感單元實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)精確運(yùn)動(dòng)控制，并集成包含冷卻模塊的 38 組陣列式 SMA 驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了假肢靈巧手的 19 主動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)，如圖 1 所示。得益于仿生設(shè)計(jì)方法和高度集成方法，所設(shè)計(jì)的假肢靈巧手僅重 0.37 千克，具備人手級(jí)別的靈巧操作能力，可完成諸如梳頭、寫字、握手、遞名片和下棋等日常精細(xì)操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了佩戴舒適性、高自由度和精確可控的兼顧。

圖 1：基于人手的高自由度輕質(zhì)假肢靈巧手結(jié)構(gòu)

通過與語音識(shí)別技術(shù)結(jié)合，假肢靈巧手具備簡(jiǎn)單、友好且低成本的人機(jī)交互能力，支持 60 種語言和 20 種方言，具備 95% 的識(shí)別準(zhǔn)確率和毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，適于在截肢患者中普及。在臨床測(cè)試中，一名 60 歲女性截肢患者僅用半天便熟練掌握該假肢靈巧手的使用，成功完成了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)假肢手功能評(píng)估實(shí)驗(yàn)中的代表性任務(wù)，包括南安普頓手功能評(píng)估程序（SHAP）和沃爾夫運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試（WMFT）。值得一提的是，該假肢靈巧手還展現(xiàn)了操作剪刀、使用手機(jī)以及完成復(fù)雜的手語手勢(shì)的能力，完美復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)的 33 種人手抓握動(dòng)作，還能夠完成 6 種更高難度的新抓握動(dòng)作，使用場(chǎng)景豐富（圖 2）。該假肢靈巧手具有極強(qiáng)的工程應(yīng)用前景，可為人形機(jī)器人靈巧操作及高性能假肢手研究提供有效的解決方案。

圖 2：假肢靈巧手的類人手勢(shì)、抓握、操作功能及患者實(shí)驗(yàn)展示

該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金及安徽科技創(chuàng)新攻堅(jiān)計(jì)劃重大項(xiàng)目支持。