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3月5日，美國約翰霍普金斯大學(xué)（JHU）的研究人員在《科學(xué)·進(jìn)展》期刊發(fā)表文章 “A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping”，受人類手指啟發(fā)，該研究提出了一種天然的假肢手，結(jié)合了軟體機(jī)器人的柔順性和剛性機(jī)器人的強(qiáng)度，并嵌入了三層神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感系統(tǒng)，以模擬人類手部的感知和抓取能力。

創(chuàng)新性：采用剛性內(nèi)骨骼+軟體關(guān)節(jié)的混合結(jié)構(gòu)，獨(dú)立驅(qū)動的軟體關(guān)節(jié)提高了假手的靈活性，使其能夠適應(yīng)多種抓握任務(wù)；三層觸覺傳感器，分別模擬Merkel 細(xì)胞、Meissner 小體、Ruffini 末端和 Pacinian 小體，實(shí)現(xiàn)對不同類型的觸覺刺激（壓力、振動、變形等）的感知；傳感層的層次化設(shè)計，使假手能夠區(qū)分不同物體表面紋理，例如粗糙、光滑、軟硬等特性；假手在紋理識別測試中達(dá)到了98.38%的準(zhǔn)確率，優(yōu)于傳統(tǒng)剛性假手（83.02%）和軟體假手（82.31%）。

局限性：觸覺傳感器僅限于指尖，手掌和手指的其他部分沒有嵌入傳感系統(tǒng)，導(dǎo)致假手對整體抓取力和物體形狀的感知不足；盡管混合結(jié)構(gòu)提高了假手的抓取能力，但仍無法達(dá)到人手的精細(xì)力控水平，特別是在高強(qiáng)度握力任務(wù)（如開瓶蓋、提重物）中表現(xiàn)有限；沒有提供閉環(huán)反饋，用戶在使用時無法獲得觸覺回饋，仍需依賴視覺進(jìn)行抓取調(diào)整。

臨床應(yīng)用潛力：適用于上肢截肢患者，特別是需要更精細(xì)手部操作的患者（如抓握易碎物品、執(zhí)行日常生活任務(wù)）；適用于手部損傷患者的康復(fù)訓(xùn)練，通過觸覺反饋提高神經(jīng)可塑性，幫助患者恢復(fù)感覺；可用于機(jī)器人手，執(zhí)行需要精細(xì)觸覺感知的任務(wù)。

想象一下，當(dāng)你伸出手去握住一個蘋果，指尖輕柔地觸碰到光滑的果皮，掌心感受到蘋果的重量，微調(diào)抓握力道，防止果實(shí)滑落。這些看似簡單的動作，對普通人而言是日常小事，但對于上肢截肢者或假肢佩戴者來說，卻是一個巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的假手往往是剛硬的機(jī)械結(jié)構(gòu)，缺乏真正的觸覺感知能力，使用者只能依靠視覺判斷如何抓握物體，難以精準(zhǔn)控制力度。然而，一項(xiàng)最新的研究正在改變這一現(xiàn)狀——JHU的科研人員開發(fā)出了一款具有神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感的仿生假手，不僅能“感覺”物體的表面紋理，還能像人類手一樣兼顧柔順性與抓取力，大幅提升假手的智能性和實(shí)用性。

圖1 人手啟發(fā)的具有神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感的混合機(jī)械手。

（A） 以人手為模型，仿生手結(jié)合了剛性和柔性假手的優(yōu)點(diǎn)，同時增加了觸覺傳感和神經(jīng)形態(tài)能力，可在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中安全、靈巧地縱物體。（B） 剛性手，例如傳統(tǒng)的假肢，提供精確和更高的抓取力，而 （C） 軟手在與物體交互時提供柔韌性和安全性。（D） 觸覺傳感對于動態(tài)縱物體并與之交互是必要的。仿生指尖包含靈活的多層觸覺感應(yīng)，其靈感來自人類皮膚中的機(jī)械感受器。（E） 神經(jīng)通信有效地向大腦發(fā)送大量空間和時間感覺信息。仿生手通過神經(jīng)形態(tài)編碼觸覺傳感信息來模擬神經(jīng)的動態(tài)神經(jīng)活動。

過去的假肢技術(shù)通常面臨一個兩難選擇——剛性結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)大抓握力，卻缺乏靈活性；軟體結(jié)構(gòu)則富有適應(yīng)性，卻難以施加足夠的握力。因此，研究人員決定融合剛性與軟性材料的優(yōu)勢，打造一種全新的混合假手。

他們設(shè)計的假手采用剛性內(nèi)骨骼和軟性關(guān)節(jié)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，手指由3D打印的聚乳酸（PLA）材料組成骨架，而關(guān)節(jié)則由Dragon Skin 10 硅膠制造，具備一定的變形能力。這一結(jié)構(gòu)的好處在于，剛性部分提供抓握力和穩(wěn)定性，軟性部分增強(qiáng)了手指的柔順性，使其能適應(yīng)不同形狀和材質(zhì)的物體。實(shí)驗(yàn)表明，相較于完全軟體的假手，這種混合結(jié)構(gòu)的假手不僅抓取力提升了三倍，而且在施加相同壓力的情況下，能夠提供更穩(wěn)定的抓握控制。

圖2 具有多層神經(jīng)形態(tài)觸覺感應(yīng)的仿生手指

如果說混合結(jié)構(gòu)提升了假手的“肌肉”，那么仿生觸覺傳感系統(tǒng)則賦予它“神經(jīng)”。人類手指的觸覺來源于皮膚中的四種主要機(jī)械感受器——Merkel 細(xì)胞、Meissner 小體、Ruffini 末端和 Pacinian 小體，它們分別負(fù)責(zé)感知壓力、低頻振動、皮膚拉伸和高頻震動。而這款假手的指尖，正是模擬了人類的這套精妙系統(tǒng)，內(nèi)置了三層觸覺傳感器：

外層傳感器（表皮層）：模仿 Merkel 細(xì)胞和 Meissner 小體，利用壓阻式（piezoresistive）材料感知輕觸和表面紋理。

中層傳感器（真皮層）：模仿 Ruffini 末端，采用壓電式（piezoelectric）材料，檢測假手在抓取過程中皮膚的形變和剪切力，幫助識別物體的柔軟度。

內(nèi)層傳感器（深層真皮）：模仿 Pacinian 小體，采用壓電式（piezoelectric）材料，能對高頻震動和瞬時壓力做出快速反應(yīng)，例如識別粗糙表面的微小震動。

通過這套仿生傳感系統(tǒng)，假手能夠像人類手一樣，在握持不同物體時調(diào)整施力，并區(qū)分物體的表面紋理，為假肢佩戴者帶來了更真實(shí)的觸覺體驗(yàn)。

圖3 傳感層的神經(jīng)形態(tài)反應(yīng)

收集到觸覺信號后，如何讓假手“理解”這些信息呢？傳統(tǒng)的假肢往往采用簡單的模擬信號處理，而研究人員引入了一種更先進(jìn)的方式——神經(jīng)形態(tài)編碼（Neuromorphic Encoding）。這種方法借鑒了人類神經(jīng)系統(tǒng)的信號傳遞機(jī)制，通過Izhikevich 神經(jīng)元模型，將傳感器獲取的觸覺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖信號（spike train），類似于生物神經(jīng)元在處理外界刺激時的方式。

這一方法有兩個顯著優(yōu)勢：

減少計算負(fù)擔(dān)：脈沖信號只在環(huán)境變化時觸發(fā)，不需要持續(xù)傳輸大量數(shù)據(jù)，從而降低假手的能耗。

提高觸覺識別精度：假手不僅能檢測靜態(tài)壓力，還能分析時間序列中的動態(tài)變化，例如感知表面粗糙度或檢測滑動趨勢。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于這一神經(jīng)形態(tài)編碼系統(tǒng)，該假手在26種不同表面紋理的識別測試中，準(zhǔn)確率高達(dá)98.38%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)剛性假手（83.02%）和軟體假手（82.31%）。此外，在日常物品識別實(shí)驗(yàn)中，假手成功區(qū)分了15種不同物品，分類準(zhǔn)確率達(dá)到99.69%，顯示出強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖4 仿生手抓取和識別物體功能

這項(xiàng)研究不僅是一次學(xué)術(shù)上的突破，也為假肢技術(shù)的未來發(fā)展指明了方向。隨著該技術(shù)的成熟，在臨床和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊：

1. 智能假肢：結(jié)合肌電（EMG）控制，讓假肢佩戴者能夠通過意念或肌肉信號控制假手，同時獲得實(shí)時觸覺反饋，大幅提升假肢的實(shí)用性。

2. 康復(fù)訓(xùn)練：為手部神經(jīng)損傷患者提供真實(shí)觸覺反饋，幫助他們重新建立手部感覺和運(yùn)動控制能力。

3. 機(jī)器人應(yīng)用：用于手術(shù)機(jī)器人、智能機(jī)械手臂、人機(jī)交互設(shè)備，提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的操作能力。

然而，目前的技術(shù)仍有一些局限性，例如假手的最大抓取力仍不及人手（僅為1.8N，而人手平均可達(dá)32±14N），并且觸覺傳感器尚未覆蓋整個手掌，在某些應(yīng)用場景下可能存在不足。因此，未來研究仍需優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)，提高抓取力，并結(jié)合閉環(huán)神經(jīng)反饋技術(shù)，使假手真正具備“觸覺感知”能力。

從冰冷的機(jī)械手臂，到能夠“感覺”世界的仿生假手，這項(xiàng)研究標(biāo)志著假肢技術(shù)正朝著更加智能、自然的方向發(fā)展。盡管距離真正媲美人手的假肢仍有一段距離，但可以預(yù)見，未來的仿生假手將不再只是工具，而是能夠感知世界、與人類協(xié)作的智能伙伴。對于無數(shù)需要假肢的人來說，這項(xiàng)技術(shù)不僅是科技的突破，更是生活質(zhì)量的希望。

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adr9300