原標(biāo)題：仿生手隨心而動(dòng) 肢殘人士重“掌”人生

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

能拿雞蛋、擰瓶蓋、系鞋帶，還能比個(gè)“666”

仿生手隨心而動(dòng) 肢殘人士重“掌”人生

“十三五”期間，我國(guó)通過(guò)實(shí)施精準(zhǔn)康復(fù)服務(wù)行動(dòng)等，累計(jì)為1252.5萬(wàn)殘疾人提供輔助器具服務(wù)。在諸多高科技輔具中，通過(guò)采集、處理人體肌電神經(jīng)電信號(hào)，幫助佩戴者重獲雙手功能的智能仿生手，正為越來(lái)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?qǐng)?bào)記者展示書(shū)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(duì)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(guò)物理按鍵或搖晃等方式，才可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的手勢(shì)切換。近年來(lái)，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(guó)通過(guò)實(shí)施精準(zhǔn)康復(fù)服務(wù)行動(dòng)等，累計(jì)為1252.5萬(wàn)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(guò)80%。在諸多高科技輔具中，通過(guò)采集、處理人體肌電神經(jīng)電信號(hào)，幫助佩戴者重獲雙手功能的智能仿生手，正為越來(lái)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(duì)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(dòng)作，被48條神經(jīng)控制……多年來(lái)，國(guó)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(gè)世紀(jì)80年代，我國(guó)部分高校院所就開(kāi)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(guó)醫(yī)生貝格爾在人類(lèi)歷史上首次記錄到人腦腦電波活動(dòng)現(xiàn)象，腦機(jī)結(jié)合研究的紀(jì)元就已開(kāi)啟。1999年，人類(lèi)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(dòng)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(dòng)。這一過(guò)程中，肌肉內(nèi)還伴隨可觀測(cè)的肌電信號(hào)。以往，國(guó)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(hào)，映射至機(jī)械臂完成動(dòng)作，對(duì)大腦行動(dòng)想法的呈現(xiàn)和執(zhí)行依然有限。

“不妨將大腦發(fā)出動(dòng)作指令到肢體動(dòng)作完成的過(guò)程理解為撥電話，殘肢則是被切斷的電話線，信號(hào)匯集在那，只是暫時(shí)無(wú)法輸出?！惫鸫髮W(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(hào)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(lèi)。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(hào)。二者各有優(yōu)劣，但后者接受度相對(duì)較高。

“腦電信號(hào)強(qiáng)度為幾十微伏，比肌電信號(hào)更弱，相當(dāng)于一節(jié)5號(hào)電池電流強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一，要捕獲它，堪比搜尋50公里外的蚊子振翅聲?！表n璧丞表示，為了捕獲極其微弱的腦電信號(hào)，其團(tuán)隊(duì)通過(guò)革新電極材料，制成采集腦電信號(hào)的傳感器，實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)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(kù)。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(hào)，再經(jīng)過(guò)深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還原大腦中的動(dòng)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(huì)用力過(guò)猛將其捏碎。這對(duì)常人來(lái)說(shuō)，是毫不費(fèi)力的事情。但對(duì)仿生手而言，從生理信號(hào)采集識(shí)別，到產(chǎn)品材質(zhì)、構(gòu)造，都需要經(jīng)過(guò)縝密設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

此前，由德國(guó)奧托博克公司研發(fā)的“米開(kāi)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(guó)內(nèi)在售的智能仿生手，已可實(shí)現(xiàn)20多種手勢(shì)動(dòng)作，具備10個(gè)活動(dòng)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(dòng)作意圖，具體實(shí)現(xiàn)有賴(lài)于靈活的手指關(guān)節(jié)保障驅(qū)動(dòng)自由度?！睆?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(dòng)作，還能完成跳繩、攀巖這類(lèi)劇烈運(yùn)動(dòng)，比個(gè)“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(duì)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(wèn)題。此外，智能仿生手的應(yīng)用尚難擺脫肌電信號(hào)控制，因此對(duì)高位截癱和肌肉損傷患者無(wú)能為力。

為此，浙江大學(xué)寧波研究院夏慶華團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(jué)、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(shí)，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(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(guò)該系統(tǒng)，未來(lái)或許可以讓具備腦機(jī)接口的設(shè)備偵測(cè)到用戶(hù)的腦電信號(hào)，并將其直接輸送給智能終端，實(shí)現(xiàn)隔空對(duì)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(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2010年末，我國(guó)殘疾人總?cè)藬?shù)約8502萬(wàn)人，其中肢體殘疾約2472萬(wàn)人。中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，到2025年，我國(guó)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(guó)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(dòng)康復(fù)輔助器具服務(wù)提質(zhì)升級(jí)；鼓勵(lì)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(jià)格較高的原因，殘疾人群體購(gòu)買(mǎi)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(huì)責(zé)任?！表n璧丞介紹，近幾年，其公司通過(guò)與中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)及相關(guān)慈善機(jī)構(gòu)合作，以資助計(jì)劃等活動(dòng)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(yáng)假肢廠有限公司等國(guó)內(nèi)企業(yè)，近年來(lái)同樣開(kāi)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(lái)國(guó)內(nèi)企業(yè)逐漸崛起，打破了國(guó)外產(chǎn)品對(duì)該領(lǐng)域的壟斷，產(chǎn)品價(jià)格從數(shù)十萬(wàn)元降至十萬(wàn)元左右?！睒I(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，未來(lái)仿生手在滿(mǎn)足人手所需基本功能的同時(shí)，在價(jià)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

[責(zé)任編輯：楊凡、崔中連]

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