中國科大成功研發19自由度仿生靈巧手，能夠復現人手級別功能

【環球網科技綜合報道】1月28日消息，近日，中國科學技術大學工程科學學院/人形機器人研究院張世武教授、王柳特任教授、金虎副教授與孫帥帥特任教授成功研發了一種具備19自由度的輕質仿生靈巧手，能夠復現人手級別的功能，有望服務全球上千萬上肢截肢患者的手部功能重建與日常生活輔助，並應用於人形機器人靈巧操作。相關成果1月22日以"A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions"為題在線發表於國際學術期刊《Nature Communications》。

據悉，人手具備23個自由度，重量僅為人體重量約1/150，但運動功能佔全身運動功能的54%，是體現人類以及人形機器人工作能力的關鍵部件。然而，現實中，包括人形機器人的靈巧手以及全球超過一千萬名上肢截肢患者的假肢手應用面臨挑戰。傳統假肢靈巧手通常使用電機驅動，功率密度低，難以在自由度與重量之間找到理想平衡：佩戴超過人手重量（0.4千克）的靈巧手會讓患者感到嚴重不適，而自由度較低（通常少於10個）靈巧手僅能實現有限的抓握動作，遠不及人手的靈活性。這些限制導致接近一半的假肢靈巧手被患者放棄使用。因此，兼顧高自由度靈巧運動和舒適佩戴的設計方法是假肢靈巧手領域的重要科學問題之一。

研究團隊以高功重比形狀記憶合金（SMA）為人工肌肉驅動，仿生設計了類肌腱傳動系統放大SMA的驅動力同時減小傳動阻力，基於類肌腱分離傳動特徵在手指及手腕內嵌入23組傳感單元實現關節精確運動控制，並集成包含冷卻模塊的38組陣列式SMA驅動器，實現了假肢靈巧手的19主動自由度運動。得益於仿生設計方法和高度集成方法，所設計的假肢靈巧手僅重0.37千克，具備人手級別的靈巧操作能力，可完成諸如梳頭、寫字、握手、遞名片和下棋等日常精細操作任務，實現了佩戴舒適性、高自由度和精確可控的兼顧。

通過與語音識別技術結合，假肢靈巧手具備簡單、友好且低成本的人機交互能力，支持60種語言和20種方言，具備95%的識別準確率和毫秒級的響應時間，適於在截肢患者中普及。在臨牀測試中，一名60歲女性截肢患者僅用半天便熟練掌握該假肢靈巧手的使用，成功完成了多項標準假肢手功能評估實驗中的代表性任務，包括南安普頓手功能評估程序（SHAP）和沃爾夫運動功能測試（WMFT）。值得一提的是，該假肢靈巧手還展現了操作剪刀、使用手機以及完成複雜的手語手勢的能力，完美復現傳統的33種人手抓握動作，還能夠完成6種更高難度的新抓握動作，使用場景豐富。該假肢靈巧手具有極強的工程應用前景，可為人形機器人靈巧操作及高性能假肢手研究提供有效的解決方案。（思瀚）