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導     語

近期，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院同國家康復輔具研究中心合作研發(fā)了一種新型仿生手假肢虛擬訓練平臺，同時通過視覺和觸覺反饋實現(xiàn)閉環(huán)力控制。相關成果發(fā)表在IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering上。

1、研究背景

仿生假肢旨在為截肢者恢復運動功能并提升生活質(zhì)量。們目前大多數(shù)商業(yè)化假肢通過表面肌電(sEMG)信號來驅(qū)動，但缺乏有效的觸覺反饋。而觸覺反饋對于提高力量控制的準確性尤為重要，特別是在視覺反饋受阻或需要精準控制時。本文引入了一種基于電感應觸覺反饋的仿生控制方法，以期為截肢者提供更自然的觸覺反饋。

2、研究概述

基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。

本研究開發(fā)了一種基于肌腱驅(qū)動的仿生手虛擬模型，在MuJoCo環(huán)境中通過仿生控制器模擬對假肢的力量控制。六位前臂截肢者參與了力量跟蹤和保持任務，實驗條件包括有無視覺和觸覺反饋的多種組合。

圖1：集成虛擬假肢手訓練系統(tǒng)概述（圖片來自原文）

實驗包括兩項力量控制任務：（1）力量跟蹤任務：受試者需要根據(jù)實時視覺反饋調(diào)整抓握力量，以跟蹤不斷變化的目標力量。（2）力量保持任務：受試者需要在目標力量范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的抓握力，并防止超出滑脫或破壞力的范圍。受試者通過sEMG信號控制虛擬手，并通過電感應觸覺反饋系統(tǒng)獲得抓握力信息，從而進行實時調(diào)整。

圖2：（A）力跟蹤任務（B）力保持任務的任務場景（圖片來自原文）

實驗結果表明，視覺反饋在力量控制任務中起主要作用，當視覺反饋缺失時，觸覺反饋顯著增強了抓握力量的控制穩(wěn)定性。觸覺和視覺反饋的效果具有個體差異性，當同時接受兩種反饋信息時，不同受試者的表現(xiàn)有所不同。

圖3：力跟蹤任務中的運動表現(xiàn)（圖片來自原文）

圖4：力保持任務中的運動表現(xiàn)（圖片來自原文）

通過比較不同反饋條件下的力量跟蹤誤差（RMSE）、成功率和力量相關性，研究發(fā)現(xiàn)視覺反饋是抓握力量控制中的重要因素，特別是在缺乏視覺反饋的情況下，觸覺反饋能夠有效提高運動表現(xiàn)。這驗證了仿生手虛擬平臺作為訓練截肢者的有效性，同時表明觸覺反饋可以在缺乏視覺信息時作為可靠的替代反饋源。

圖5：運動表現(xiàn)和力量保持任務的成功率（圖片來自原文）

根據(jù)圖5的結果顯示，當使用具有視覺和觸覺反饋的健康手控時，除了偶爾出現(xiàn)的小錯誤外，所有受試者都能夠以幾乎100%的成功率執(zhí)行任務

3、研究意義

本研究首次將基于電感應的體感觸覺反饋與仿生控制相結合，為截肢者提供了一個集成的假肢訓練平臺，旨在幫助他們最大化假肢的運動表現(xiàn)。未來，該平臺可以用于訓練截肢者建立仿生控制與觸覺反饋的內(nèi)部模型，以提高運動控制的準確性。

該研究在國家重點研發(fā)計劃和上海市科學技術委員會項目支持下完成。上海交通大學生物醫(yī)學工程神經(jīng)康復工程實驗室、國家康復輔具研究中心，上海交通大學醫(yī)療機器人研究院為本文完成單位。

參考文獻：

Zhang, Z., Xie, A., Chou, C. H., Liang, W., Zhang, J., Bi, S., & Lan, N. (2024). Closed-Loop Force Control by Biorealistic Hand Prosthesis with Visual and Tactile Sensory Feedback. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. DOI: 10.1109/TNSRE.2024.3439722