仿生手隨心而動 肢殘人士重“掌”人生

　　能拿雞蛋、擰瓶蓋、系鞋帶，還能比個“666”

　　仿生手隨心而動 肢殘人士重“掌”人生

　　“十三五”期間，我國通過實(shí)施精準(zhǔn)康復(fù)服務(wù)行動等，累計(jì)為1252.5萬殘疾人提供輔助器具服務(wù)。在諸多高科技輔具中，通過采集、處理人體肌電神經(jīng)電信號，幫助佩戴者重獲雙手功能的智能仿生手，正為越來越多的肢殘人士帶去福音。

　　握筆、沾墨、下筆一氣呵成……12月8日，在浙江杭州人工智能小鎮(zhèn)內(nèi)，有著4年智能仿生手佩戴經(jīng)歷的倪敏成向科技日報(bào)記者展示書法。他介紹，自己可以用意念精準(zhǔn)控制仿生手的每根手指。這對機(jī)械臂已經(jīng)成了他身體的一部分。

　　傳統(tǒng)的功能性義肢需要通過物理按鍵或搖晃等方式，才可以實(shí)現(xiàn)簡單的手勢切換。近年來，腦機(jī)接口、人工智能等前沿技術(shù)不斷發(fā)展，在殘障人士輔助器具領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　“十三五”期間，我國通過實(shí)施精準(zhǔn)康復(fù)服務(wù)行動等，累計(jì)為1252.5萬殘疾人提供輔助器具服務(wù)，2020年殘疾人基本輔助器具適配率超過80%。在諸多高科技輔具中，通過采集、處理人體肌電神經(jīng)電信號，幫助佩戴者重獲雙手功能的智能仿生手，正為越來越多的肢殘人士帶去福音。

　　用腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)對仿生手的控制

　　一只完整的手擁有27塊骨頭，由34塊肌肉牽引完成動作，被48條神經(jīng)控制……多年來，國內(nèi)外研究人員致力于研制出形狀性能與人手一致的義肢。在上個世紀(jì)80年代，我國部分高校院所就開始著手相關(guān)工作，研制出了若干具有一定靈活度的多指仿生手，并積極嘗試完善其功能。

　　自1924年，德國醫(yī)生貝格爾在人類歷史上首次記錄到人腦腦電波活動現(xiàn)象，腦機(jī)結(jié)合研究的紀(jì)元就已開啟。1999年，人類首次實(shí)驗(yàn)證明大腦皮層神經(jīng)元群可以直接控制機(jī)械手臂，這一發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了腦機(jī)接口技術(shù)用于義肢研發(fā)。

　　人的動作意圖由大腦發(fā)出，經(jīng)由脊髓傳遞到外周神經(jīng)，支配肌肉運(yùn)動。這一過程中，肌肉內(nèi)還伴隨可觀測的肌電信號。以往，國外肌電仿生手產(chǎn)品主要靠感應(yīng)手臂兩側(cè)屈肌和伸肌肌電信號，映射至機(jī)械臂完成動作，對大腦行動想法的呈現(xiàn)和執(zhí)行依然有限。

　　“不妨將大腦發(fā)出動作指令到肢體動作完成的過程理解為撥電話，殘肢則是被切斷的電話線，信號匯集在那，只是暫時無法輸出。”哈佛大學(xué)腦科學(xué)中心博士、強(qiáng)腦科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO韓璧丞認(rèn)為，智能仿生手的變革之處在于應(yīng)用腦機(jī)接口技術(shù)，將“電話線”切斷處的神經(jīng)信號更精細(xì)化處理后再傳遞出去。

　　據(jù)了解，腦機(jī)接口技術(shù)可分為侵入式與非侵入式兩大類。前者采用在腦部植入電極的方式，后者則是在頭皮上涂抹導(dǎo)電膏、佩戴采集設(shè)備獲取腦電信號。二者各有優(yōu)劣，但后者接受度相對較高。

　　“腦電信號強(qiáng)度為幾十微伏，比肌電信號更弱，相當(dāng)于一節(jié)5號電池電流強(qiáng)度的百萬分之一，要捕獲它，堪比搜尋50公里外的蚊子振翅聲。”韓璧丞表示，為了捕獲極其微弱的腦電信號，其團(tuán)隊(duì)通過革新電極材料，制成采集腦電信號的傳感器，實(shí)現(xiàn)腦電信號的大規(guī)模精準(zhǔn)采集，建立起了龐大的腦電及肌電神經(jīng)電數(shù)據(jù)庫。他們基于此研發(fā)出的BrainRobotics智能仿生手，可采集殘肢的肌電神經(jīng)電信號，再經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還原大腦中的動作意圖。

　　完善智能仿生手功能讓它更似人手

　　輕輕拿起一顆雞蛋，既不讓雞蛋脫手，也不會用力過猛將其捏碎。這對常人來說，是毫不費(fèi)力的事情。但對仿生手而言，從生理信號采集識別，到產(chǎn)品材質(zhì)、構(gòu)造，都需要經(jīng)過縝密設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)這個功能。

　　此前，由德國奧托博克公司研發(fā)的“米開朗基羅之手”，每根手指上均安裝有傳感電極，具有7種不同抓取能力。隨著技術(shù)迭代和設(shè)計(jì)優(yōu)化，目前國內(nèi)在售的智能仿生手，已可實(shí)現(xiàn)20多種手勢動作，具備10個活動關(guān)節(jié)，手腕處可集成位置、力量、姿態(tài)、加速度等傳感器，從而模擬人手的感知能力。

　　“仿生手內(nèi)置的肌電感應(yīng)傳感器與算法處理單元負(fù)責(zé)獲取動作意圖，具體實(shí)現(xiàn)有賴于靈活的手指關(guān)節(jié)保障驅(qū)動自由度。”強(qiáng)腦科技有限公司的體驗(yàn)官古月介紹，自己佩戴仿生手一年多，不僅能完成拿雞蛋、擰瓶蓋、系鞋帶等日常動作，還能完成跳繩、攀巖這類劇烈運(yùn)動，比個“OK”“666”也不在話下。

　　記者了解到，現(xiàn)有商業(yè)智能仿生手雖然取得了很大的進(jìn)步，但仍存在對環(huán)境情況感知不夠、小臂處構(gòu)造僵硬、生物感不強(qiáng)等問題。此外，智能仿生手的應(yīng)用尚難擺脫肌電信號控制，因此對高位截癱和肌肉損傷患者無能為力。

　　為此，浙江大學(xué)寧波研究院夏慶華團(tuán)隊(duì)開發(fā)出表面覆蓋有柔性多維感知傳感器陣列的智能軟體仿生手，用于感知外部壓力、滑覺、溫度、濕度，并據(jù)此調(diào)節(jié)仿生手的狀態(tài)。在接觸到結(jié)構(gòu)較硬或較軟的物體時，仿生手自身剛度也隨之調(diào)整。

　　“基于團(tuán)隊(duì)搭建的腦電和肌電信號數(shù)據(jù)庫，去年我們發(fā)布了以人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)為核心理念的BrainOS大腦智能操作系統(tǒng)。”韓璧丞介紹，通過該系統(tǒng)，未來或許可以讓具備腦機(jī)接口的設(shè)備偵測到用戶的腦電信號，并將其直接輸送給智能終端，實(shí)現(xiàn)隔空對智能終端進(jìn)行操作。

　　智能仿生手進(jìn)一步普及還需持續(xù)優(yōu)化

　　根據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會數(shù)據(jù)顯示，2010年末，我國殘疾人總?cè)藬?shù)約8502萬人，其中肢體殘疾約2472萬人。中國殘疾人聯(lián)合會相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，到2025年，我國殘疾人基本輔助器具適配率預(yù)計(jì)將達(dá)到85%以上。

　　今年7月，國務(wù)院發(fā)布的《“十四五”殘疾人保障和發(fā)展規(guī)劃》提出，要加快康復(fù)輔助器具創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，增強(qiáng)優(yōu)質(zhì)康復(fù)輔助器具供給能力，推動康復(fù)輔助器具服務(wù)提質(zhì)升級；鼓勵實(shí)施公益性康復(fù)輔助器具適配項(xiàng)目。

　　“由于康復(fù)輔助器具價格較高的原因，殘疾人群體購買力不強(qiáng)。這就要求企業(yè)一方面要持續(xù)改進(jìn)工藝、降低生產(chǎn)成本，另一方面要積極參與公益，承擔(dān)社會責(zé)任。”韓璧丞介紹，近幾年，其公司通過與中國殘疾人聯(lián)合會及相關(guān)慈善機(jī)構(gòu)合作，以資助計(jì)劃等活動形式，為肢體殘疾人士免費(fèi)安裝了數(shù)百只智能仿生手。

　　除此之外，上海傲意信息科技有限公司、丹陽假肢廠有限公司等國內(nèi)企業(yè)，近年來同樣開始致力于智能仿生手的商業(yè)化及公益普惠，連續(xù)幾年在上海、廣西桂林、云南昆明等城市為多位上肢缺損者提供智能仿生手的免費(fèi)安裝及售后服務(wù)。

　　“智能仿生手具有較精密的結(jié)構(gòu)，成本自然也高。近年來國內(nèi)企業(yè)逐漸崛起，打破了國外產(chǎn)品對該領(lǐng)域的壟斷，產(chǎn)品價格從數(shù)十萬元降至十萬元左右。”業(yè)內(nèi)專家表示，未來仿生手在滿足人手所需基本功能的同時，在價格低廉、易于維護(hù)方面，還需研發(fā)人員持續(xù)優(yōu)化。

　　洪恒飛 本報(bào)記者 江 耘