《科学进展》：仿生手“知道”它触摸的是什么，像人类一样抓取

约翰霍普金斯大学的工程师们发明了一种开创性的假手，它可以像人类一样握住毛绒玩具、水瓶和其他日常用品，仔细调整它的抓取方式，以避免损坏或不当操作它所握住的东西。

　　

约翰霍普金斯大学的工程师们开发了一种开创性的假手，能够像人类一样抓取毛绒玩具、水瓶和其他日常物品，小心翼翼地调整抓握力度，以免损坏或不当处理所抓取的物体。

这种系统的混合设计是机器人手领域的首次尝试，以往的机器人手通常过于僵硬或过于柔软，无法像人类一样在处理不同质地和材料的物体时复制人类的触觉。这项创新为手部缺失的人群提供了一个有希望的解决方案，并可能改善机器人手臂与环境的互动方式。

该设备的详细信息今天发表在《科学进展》上。

“从一开始，我们的目标就是创造一种基于人类手部的物理和感知能力建模的假手——一种更自然的假肢，其功能和感觉就像失去的肢体一样，”领导这项工作的约翰霍普金斯大学生物医学工程师斯里拉玛纳·桑卡尔说，“我们希望为上肢缺失的人提供一种能力，让他们能够安全自由地与环境互动，拥抱和触摸他们所爱的人而不必担心伤害到他们。”

该设备由曾在2018年创造出世界上第一个具有类似人类痛觉的电子“皮肤”的神经工程和生物医学仪器实验室开发，其特点是一个多指系统，由类似橡胶的聚合物和坚硬的3D打印内部骨架组成。其三层触觉传感器受到人类皮肤层次的启发，能够抓取并区分各种形状和表面质地的物体，而不仅仅是检测触摸。它的每个柔软充气的指关节都可以通过前臂肌肉控制，机器学习算法将来自人工触觉感受器的信号聚焦，创造出一种逼真的触觉，桑卡尔说：“手指的感官信息被翻译成神经的语言，通过电神经刺激提供自然的感官反馈。”

在实验室中，这只手识别并操纵了15种日常物品，包括精致的毛绒玩具、洗碗海绵和纸板箱，以及菠萝、金属水瓶和其他更坚固的物品。在实验中，该设备的表现优于其他替代品，以99.69%的准确率成功处理物体，并根据需要调整抓握力度以防止意外。最好的例子是它灵巧地用三根手指拿起一个薄而易碎的塑料水杯，杯子中装满了水，却没有将其压扁。

“我们正在结合刚性和柔软机器人的优势来模仿人类的手，”桑卡尔说，“人类的手并不是完全僵硬或纯粹柔软的——它是一个混合系统，骨骼、软关节和组织协同工作。这就是我们希望我们的假手能够实现的。这是机器人和假肢领域的一个新领域，之前还没有完全拥抱这种混合技术。它能够给人一个坚定的握手，或者拿起一个软物体而不必担心会将其压碎。”

为了帮助截肢者在抓握时恢复对物体的感知能力，假肢需要三个关键组成部分：检测环境的传感器、将数据转换成类似神经信号的系统，以及刺激神经的方式，这样人们才能感受到这种感觉，约翰霍普金斯大学生物医学工程教授尼提什·塔科说。

这种生物启发技术允许手以这种方式工作，使用前臂肌肉信号，就像大多数手部假肢一样。这些信号连接大脑和神经，使手能够根据触觉弯曲、释放或做出反应。结果是一个能够直觉地“知道”它正在触摸什么的机器人手，就像神经系统一样，塔科说。

“如果你拿着一杯咖啡，你怎么知道你即将把它掉在地上？你的手掌和指尖向大脑发送信号，表明杯子正在滑落，”塔科说，“我们的系统是神经启发的——它模拟手的触觉感受器以产生类似神经的信息，以便假肢的‘大脑’，或其计算机，理解某物是热的还是冷的，软的还是硬的，或者是否从抓握中滑落。”

虽然这项研究是混合机器人技术的早期突破，可能会改变假肢和机器人的未来，但塔科说还需要进一步完善系统。未来的改进可能包括更强的抓握力、更多的传感器和工业级材料。

“这种混合灵活性不仅对下一代假肢至关重要，”塔科说，“未来的机器人手也需要这种能力，因为它们不会仅仅处理大型、重型物体。它们需要处理像玻璃、织物或软玩具这样的易碎材料。这就是为什么像人类手一样设计的混合机器人如此有价值——它结合了软结构和硬结构，就像我们的皮肤、组织和骨骼一样。”