仿生手「知道」它正在觸摸什麼，像人類一樣握取

約翰霍普金斯大學 (Johns Hopkins University) 的工程師們開發了一款創新的義肢手，能像人類一樣抓住毛絨玩具、水瓶和其他日常物品，並能小心地調整抓握方式，以避免損壞或錯誤處理所持物品。

這種混合設計是機器手的首次創新，因為傳統的機器手通常過於堅硬或過於柔軟，無法模仿人類在處理不同材質和質地物品時的觸感。這項創新為失去手的人提供了有希望的解決方案，並可能改善機器手臂與環境的互動方式。

有關這個裝置的詳細資訊發表在《科學進展》(Science Advances) 上。

約翰霍普金斯大學的生物醫學工程師 Sriramana Sankar 說：「我們從一開始就希望創造一款基於人類手部的物理和感知能力的義肢手，這是一種更自然的義肢，能像失去的肢體一樣運作和感覺。我們希望讓失去上肢的人能夠安全且自由地與環境互動，感受和擁抱他們所愛的人，而不必擔心會傷害到他們。」

這款裝置由同一個神經工程和生物醫學儀器實驗室開發，該實驗室在2018年創造了世界上第一個具有類人痛覺的電子「皮膚」。它擁有多指系統，使用類橡膠聚合物和堅硬的3D列印內部骨架。其三層觸覺感應器受到人類皮膚層次的啟發，能夠抓握和區分各種形狀和表面質地的物品，而不僅僅是檢測觸碰。

每個柔軟的、充氣的手指關節都可以由前臂的肌肉控制，而機器學習算法則專注於來自人工觸覺感應器的信號，以創造出真實的觸感。Sankar 解釋說：「手指的感覺信息被轉換成神經的語言，以通過電刺激提供自然的感覺反饋。」

在實驗室中，這隻手識別並操作了15種日常物品，包括精緻的毛絨玩具、洗碗海綿和紙箱，還有鳳梨、金屬水瓶和其他更堅固的物品。在實驗中，這個裝置的表現優於其他選擇，成功處理物品的準確率達99.69%，並根據需要調整抓握以防止意外。最好的例子是它靈活地用三根手指抓起一個裝滿水的薄塑料杯，沒有壓凹它。

Sankar 說：「我們結合了堅硬和柔軟機器人的優勢，以模仿人類的手。人類的手並不是完全堅硬或完全柔軟的——它是一個混合系統，骨頭、柔軟的關節和組織共同運作。我們希望我們的義肢手能達到這一點。這對於機器人技術和義肢來說是全新的領域，因為這種混合技術以前並未被充分採用。它能夠提供堅定的握手或在不擔心壓碎物品的情況下拾起柔軟的物體。」

為了幫助截肢者重新獲得抓握時感知物體的能力，義肢需要三個關鍵組件：檢測環境的感應器、將數據轉換為類神經信號的系統，以及刺激神經的方式，讓人能夠感受到感覺，約翰霍普金斯大學的生物醫學工程教授 Nitish Thakor 說。

這種仿生技術使手能夠這樣運作，使用來自前臂的肌肉信號，與大多數手部義肢相同。這些信號連接大腦和神經，使手能夠根據觸覺彎曲、放鬆或反應。Thakor 說，結果是一隻機器手能直觀地「知道」它在觸碰什麼，就像神經系統一樣。

Thakor 說：「如果你在握著一杯咖啡，你怎麼知道你快要掉了？你的手掌和指尖會向大腦發送信號，告訴它杯子正在滑落。我们的系统是受到神经启发的——它模拟手的触觉感受器，产生类似神经的信号，以便义肢的“大脑”或计算机理解某物是热的还是冷的、软的还是硬的，或者正在从抓握中滑落。」

雖然這項研究對於混合機器技術是一個早期的突破，可能會改變義肢和機器人技術，但Thakor表示，仍需進一步完善系統。未來的改進可能包括更強的抓握力、額外的感應器和工業級材料。

Thakor 說：「這種混合靈活性不僅對下一代義肢至關重要。它是未來機器手所需的，因為它們不僅僅是處理大型重物。它們還需要處理玻璃、布料或柔軟玩具等精緻材料。因此，設計成像人類手一樣的混合型機器人是非常有價值的——它結合了柔軟和堅硬的結構，就像我們的皮膚、組織和骨頭一樣。」

其他作者包括佛羅里達大西洋大學 (Florida Atlantic University) 的鄭文宇 (Wen-Yu Cheng)；約翰霍普金斯大學 (Johns Hopkins University) 的張晶華 (Jinghua Zhang)、阿里爾·斯萊皮安 (Ariel Slepyan)、馬克·M·伊斯卡魯斯 (Mark M. Iskarous)、瑞貝卡·J·格林 (Rebecca J. Greene)、雷內·德布拉班德 (Rene DeBrabander) 和陳俊俊 (Junjun Chen)；以及伊利諾伊大學芝加哥分校 (University of Illinois Chicago) 的阿爾納夫·古普塔 (Arnav Gupta)。