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

2025年3月10日,，南極熊獲悉，來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)的研究人員開發(fā)出了一種能夠模仿人類觸覺的機械手,。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,，還能識別物體形狀和材質(zhì)。

這項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)機械臂與物理環(huán)境的互動方式。這項研究得到了美國國防部(DoD) 通過矯形和假肢成果研究計劃和美國國家科學(xué)基金會(NSF) 的資助,。

Sankar說：“從一開始,，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械手——一種功能和感覺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,，感受和擁抱他們所愛的人,，而不必?fù)?dān)心傷害他們�,！�

△受人類手部啟發(fā)而開發(fā)的具有神經(jīng)形態(tài)觸覺感應(yīng)功能的混合機械手,。圖片來自 JHU

具有類似人類感知功能的混合機械手

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

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，機械手以獨特的方式將軟機器人的靈活性與傳統(tǒng)剛性機器人的強度相結(jié)合,，使其能夠更自然地抓握和處理各種日常物品,。此外，手指尖具有三個觸覺傳感器層,，每個層的設(shè)計靈感都來自人類皮膚的感覺受體,。

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

混合機器人手指包含三個獨立驅(qū)動的軟關(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,。

有限元分析和實際測試表明，混合手指在僅 7 psi 的驅(qū)動壓力下即可實現(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器人手指相比,，這顯然更加高效,。

Sankar說：“如果你手里拿著一杯咖啡,，你怎么知道它就要掉下來了？你的手掌和指尖會向大腦發(fā)出信號,，告訴你杯子正在滑落,。我們的系統(tǒng)是受神經(jīng)啟發(fā)的——它模擬手的觸覺受體來產(chǎn)生類似神經(jīng)的信息，這樣假肢的‘大腦’或計算機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�,！�

在實驗室測試中,，混合手指的抓握力是全軟機器人替代品的三倍多。嵌入式多層觸覺傳感器在區(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%。

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

實際演示進(jìn)一步凸顯了機械手的實用性，成功進(jìn)行了肌電圖（EMG）控制實驗,，實驗涉及抓取南安普敦手部評估程序（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,，混合機械手在抓取任務(wù)中識別和區(qū)分 15 種常見日常物品的準(zhǔn)確率高達(dá) 99.69%,。測試的物品包括不同形狀、質(zhì)地和柔軟度的物體,，展示了機械手的適應(yīng)性和精確度,。

研究人員稱這項研究是一項突破，但仍有改進(jìn)的空間,，比如增加剛性關(guān)節(jié)以增強抓握力,，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。

△具有多層神經(jīng)形態(tài)觸覺感應(yīng)的混合手指,。圖片來自 JHU

改善假肢的抓握和人工觸覺

同樣地,，全球各地的相關(guān)研究團(tuán)隊也一直在探索旨在提高實用性的假肢解決方案。例如,，假肢3D 打印公司Open Bionics向德國一家醫(yī)療機構(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。假肢項目由烏克蘭超人基金會協(xié)調(diào),，并得到萬事達(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)家開發(fā)了一種名為“TacTip”的人造指尖,，使假肢能夠“感覺”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反應(yīng)的人工神經(jīng)信號,。

在測試過程中,，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,，在檢測物體方向時靈敏度略低,。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)隊表示,，通過進(jìn)一步改進(jìn)，TacTip 可以顯著提高機器人的靈活性,，使機器人能夠自動執(zhí)行水果采摘等敏感任務(wù),，或在假肢手中提供增強的觸覺。