3D打印與神經(jīng)形態(tài)科技結(jié)合，打造具有觸覺(jué)反饋的仿生機(jī)械手

2025年3月10日，南極熊獲悉，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)(JHU)、佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)(FAU) 和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校(UIC)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種能夠模仿人類觸覺(jué)的機(jī)械手。這款仿生設(shè)備結(jié)合了 3D 打印的內(nèi)部骨架和狀聚合物材料，手指配備三層觸覺(jué)傳感器，模擬人類皮膚的分層結(jié)構(gòu)，使其不僅能感知觸碰，還能識(shí)別物體形狀和材質(zhì)。

這項(xiàng)研究由約翰霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授 Nitish Thakor 和生物醫(yī)學(xué)工程師 Sriramana Sankar 領(lǐng)導(dǎo)，旨在改善手部殘疾患者的假肢解決方案，并改進(jìn)機(jī)械臂與物理環(huán)境的互動(dòng)方式。這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)防部(DoD) 通過(guò)矯形和假肢成果研究計(jì)劃和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF) 的資助。

Sankar說(shuō)：“從一開(kāi)始，我們的目標(biāo)就是打造一只基于人手的物理和感知能力的機(jī)械手——一種功能和感覺(jué)都像失去肢體的更自然的假肢。我們希望讓失去上肢的人能夠安全自由地與周圍環(huán)境互動(dòng)，感受和擁抱他們所愛(ài)的人，而不必?fù)?dān)心傷害他們�！�

△受人類手部啟發(fā)而開(kāi)發(fā)的具有神經(jīng)形態(tài)觸覺(jué)感應(yīng)功能的混合機(jī)械手。圖片來(lái)自 JHU

具有類似人類感知功能的混合機(jī)械手

傳統(tǒng)的機(jī)械手要么太硬要么太軟，而本研究中的混合機(jī)械手則兼顧了這兩個(gè)因素。這使得機(jī)械手的抓握力足夠牢固，可以穩(wěn)穩(wěn)地握住水瓶，同時(shí)又足夠靈巧，可以拿起易碎的塑料杯而不損壞它。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，機(jī)械手以獨(dú)特的方式將軟機(jī)器人的靈活性與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的強(qiáng)度相結(jié)合，使其能夠更自然地抓握和處理各種日常物品。此外，手指尖具有三個(gè)觸覺(jué)傳感器層，每個(gè)層的設(shè)計(jì)靈感都來(lái)自人類皮膚的感覺(jué)受體。

這些包括對(duì)輕觸和變形敏感的壓阻層，以及用于檢測(cè)細(xì)微振動(dòng)的壓電層，模仿人類手指復(fù)雜的感官體驗(yàn)。

混合機(jī)器人手指包含三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的軟關(guān)節(jié)，由化學(xué)制造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 硅膠制成，并由 3D 打印的聚乳酸 (PLA) 剛性骨骼結(jié)構(gòu)支撐。

有限元分析和實(shí)際測(cè)試表明，混合手指在僅 7 psi 的驅(qū)動(dòng)壓力下即可實(shí)現(xiàn)顯著的靈活性，曲率達(dá) 130°，屈曲角度達(dá) 208°。與通常需要更高壓力的純軟機(jī)器人手指相比，這顯然更加高效。

Sankar說(shuō)：“如果你手里拿著一杯咖啡，你怎么知道它就要掉下來(lái)了？你的手掌和指尖會(huì)向大腦發(fā)出信號(hào)，告訴你杯子正在滑落。我們的系統(tǒng)是受神經(jīng)啟發(fā)的——它模擬手的觸覺(jué)受體來(lái)產(chǎn)生類似神經(jīng)的信息，這樣假肢的‘大腦’或計(jì)算機(jī)就能知道某物是熱的還是冷的、軟的還是硬的，或者是否從握柄上滑落�！�

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，混合手指的抓握力是全軟機(jī)器人替代品的三倍多。嵌入式多層觸覺(jué)傳感器在區(qū)分26 種不同紋理方面非常有效，平均準(zhǔn)確率高達(dá) 98.38%，而標(biāo)準(zhǔn)軟硬假肢手指的準(zhǔn)確率約為 83%。

為了高效處理觸覺(jué)信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)采用了神經(jīng)形態(tài)編碼，這是一種受自然神經(jīng)通訊啟發(fā)的方法。這種方法顯著增強(qiáng)了手部辨別紋理的能力。

實(shí)際演示進(jìn)一步凸顯了機(jī)械手的實(shí)用性，成功進(jìn)行了肌電圖（EMG）控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)涉及抓取南安普敦手部評(píng)估程序（SHAP）中的各種物體，從精致的物品到較重的物品。

值得注意的是，混合機(jī)械手在抓取任務(wù)中識(shí)別和區(qū)分 15 種常見(jiàn)日常物品的準(zhǔn)確率高達(dá) 99.69%。測(cè)試的物品包括不同形狀、質(zhì)地和柔軟度的物體，展示了機(jī)械手的適應(yīng)性和精確度。

研究人員稱這項(xiàng)研究是一項(xiàng)突破，但仍有改進(jìn)的空間，比如增加剛性關(guān)節(jié)以增強(qiáng)抓握力，并將感官覆蓋范圍擴(kuò)大到指尖以外。他們還建議探索神經(jīng)刺激，為用戶提供更自然、更逼真的觸覺(jué)。

△具有多層神經(jīng)形態(tài)觸覺(jué)感應(yīng)的混合手指。圖片來(lái)自 JHU

改善假肢的抓握和人工觸覺(jué)

同樣地，全球各地的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)也一直在探索旨在提高實(shí)用性的假肢解決方案。例如，假肢3D 打印公司Open Bionics向德國(guó)一家醫(yī)療機(jī)構(gòu)交付了先進(jìn)的Hero Arm 假肢，幫助因地雷爆炸受傷的士兵。Hero Arm 配備了前臂激活的傳感器，可以精確控制可移動(dòng)的拇指和手指，抓握能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)假肢。

△3D 打印手臂。照片來(lái)自Hero Arm的梅琳達(dá)·哈林 (Melinda Haring)

其中一位受助者維塔利·伊瓦什丘克 (Vitalii Ivashchuk) 表示，他對(duì)假肢的功能性和自然性感到驚喜，并指出它超出了他的預(yù)期。假肢項(xiàng)目由烏克蘭超人基金會(huì)協(xié)調(diào)，并得到萬(wàn)事達(dá)卡的支持，旨在擴(kuò)大烏克蘭的假肢和康復(fù)服務(wù)。

布里斯托大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種名為“TacTip”的人造指尖，使假肢能夠“感覺(jué)”物體。指尖裝置采用模仿人類皮膚乳頭的 3D 打印結(jié)構(gòu)制成，可以感知物體形狀并傳輸類似于自然觸覺(jué)反應(yīng)的人工神經(jīng)信號(hào)。

在測(cè)試過(guò)程中，TacTip 可以準(zhǔn)確地響應(yīng)與人類皮膚類似的壓力，但由于人造皮膚較厚，在檢測(cè)物體方向時(shí)靈敏度略低。盡管如此，研究人員仍觀察到人工和自然感官反應(yīng)之間存在顯著的相似性。研究團(tuán)隊(duì)表示，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，TacTip 可以顯著提高機(jī)器人的靈活性，使機(jī)器人能夠自動(dòng)執(zhí)行水果采摘等敏感任務(wù)，或在假肢手中提供增強(qiáng)的觸覺(jué)。