倣生手隨心而動 肢殘人士重“掌”人生
能拿雞蛋、擰瓶蓋、繫鞋帶，還能比個“666”
倣生手隨心而動 肢殘人士重“掌”人生
“十三五”期間，我國通過實施精準康復服務行動等，累計為1252.5萬殘疾人提供輔助器具服務。在諸多高科技輔具中，通過採集、處理人體肌電神經電信號，幫助佩戴者重獲雙手功能的智慧倣生手，正為越來越多的肢殘人士帶去福音。
握筆、沾墨、下筆一氣呵成……12月8日，在浙江杭州人工智慧小鎮內，有著4年智慧倣生手佩戴經歷的倪敏成向科技日報記者展示書法。他介紹，自己可以用意念精準控制倣生手的每根手指。這對機械臂已經成了他身體的一部分。
傳統的功能性義肢需要通過物理按鍵或搖晃等方式，才可以實現簡單的手勢切換。近年來，腦機介面、人工智慧等前沿技術不斷發展，在殘障人士輔助器具領域得到廣泛應用。
“十三五”期間，我國通過實施精準康復服務行動等，累計為1252.5萬殘疾人提供輔助器具服務，2020年殘疾人基本輔助器具適配率超過80%。在諸多高科技輔具中，通過採集、處理人體肌電神經電信號，幫助佩戴者重獲雙手功能的智慧倣生手，正為越來越多的肢殘人士帶去福音。
用腦機介面技術實現對倣生手的控制
一隻完整的手擁有27塊骨頭，由34塊肌肉牽引完成動作，被48條神經控制……多年來，國內外研究人員致力於研製出形狀性能與人手一致的義肢。在上個世紀80年代，我國部分高校院所就開始著手相關工作，研製出了若干具有一定靈活度的多指倣生手，並積極嘗試完善其功能。
自1924年，德國醫生貝格爾在人類歷史上首次記錄到人腦腦電波活動現象，腦機結合研究的紀元就已開啟。1999年，人類首次實驗證明大腦皮層神經元群可以直接控制機械手臂，這一發現極大地促進了腦機介面技術用於義肢研發。
人的動作意圖由大腦發出，經由脊髓傳遞到外周神經，支配肌肉運動。這一過程中，肌肉內還伴隨可觀測的肌電信號。以往，國外肌電倣生手產品主要靠感應手臂兩側屈肌和伸肌肌電信號，映射至機械臂完成動作，對大腦行動想法的呈現和執行依然有限。
“不妨將大腦發出動作指令到肢體動作完成的過程理解為撥電話，殘肢則是被切斷的電話線，信號匯集在那，只是暫時無法輸出。”哈佛大學腦科學中心博士、強腦科技有限公司創始人兼CEO韓璧丞認為，智慧倣生手的變革之處在於應用腦機介面技術，將“電話線”切斷處的神經信號更精細化處理後再傳遞出去。
據了解，腦機介面技術可分為侵入式與非侵入式兩大類。前者採用在腦部植入電極的方式，後者則是在頭皮上塗抹導電膏、佩戴採集設備獲取腦電信號。二者各有優劣，但後者接受度相對較高。
“腦電信號強度為幾十微伏，比肌電信號更弱，相當於一節5號電池電流強度的百萬分之一，要捕獲它，堪比搜尋50公里外的蚊子振翅聲。”韓璧丞表示，為了捕獲極其微弱的腦電信號，其團隊通過革新電極材料，製成採集腦電信號的感測器，實現腦電信號的大規模精準採集，建立起了龐大的腦電及肌電神經電數據庫。他們基於此研發出的BrainRobotics智慧倣生手，可採集殘肢的肌電神經電信號，再經過深度學習的神經網路演算法還原大腦中的動作意圖。
完善智慧倣生手功能讓它更似人手
輕輕拿起一顆雞蛋，既不讓雞蛋脫手，也不會用力過猛將其捏碎。這對常人來說，是毫不費力的事情。但對倣生手而言，從生理信號採集識別，到產品材質、構造，都需要經過縝密設計才能實現這個功能。
此前，由德國奧托博克公司研發的“米開朗基羅之手”，每根手指上均安裝有傳感電極，具有7種不同抓取能力。隨著技術迭代和設計優化，目前國內在售的智慧倣生手，已可實現20多種手勢動作，具備10個活動關節，手腕處可整合位置、力量、姿態、加速度等感測器，從而模擬人手的感知能力。
“倣生手內置的肌電感應感測器與演算法處理單元負責獲取動作意圖，具體實現有賴於靈活的手指關節保障驅動自由度。”強腦科技有限公司的體驗官古月介紹，自己佩戴倣生手一年多，不僅能完成拿雞蛋、擰瓶蓋、繫鞋帶等日常動作，還能完成跳繩、攀岩這類劇烈運動，比個“OK”“666”也不在話下。
記者了解到，現有商業智慧倣生手雖然取得了很大的進步，但仍存在對環境情況感知不夠、小臂處構造僵硬、生物感不強等問題。此外，智慧倣生手的應用尚難擺脫肌電信號控制，因此對高位截癱和肌肉損傷患者無能為力。
為此，浙江大學寧波研究院夏慶華團隊開發出表面覆蓋有柔性多維感知感測器陣列的智慧軟體倣生手，用於感知外部壓力、滑覺、溫度、濕度，並據此調節倣生手的狀態。在接觸到結構較硬或較軟的物體時，倣生手自身剛度也隨之調整。
“基於團隊搭建的腦電和肌電信號數據庫，去年我們發佈了以人機物聯網為核心理念的BrainOS大腦智慧作業系統。”韓璧丞介紹，通過該系統，未來或許可以讓具備腦機介面的設備偵測到用戶的腦電信號，並將其直接輸送給智慧終端，實現隔空對智慧終端進行操作。
智慧倣生手進一步普及還需持續優化
根據中國殘疾人聯合會數據顯示，2010年末，我國殘疾人總人數約8502萬人，其中肢體殘疾約2472萬人。中國殘疾人聯合會相關負責人介紹，到2025年，我國殘疾人基本輔助器具適配率預計將達到85%以上。
今年7月，國務院發佈的《“十四五”殘疾人保障和發展規劃》提出，要加快康復輔助器具創新產品研發生產，增強優質康復輔助器具供給能力，推動康復輔助器具服務提質升級；鼓勵實施公益性康復輔助器具適配項目。
“由於康復輔助器具價格較高的原因，殘疾人群體購買力不強。這就要求企業一方面要持續改進工藝、降低生產成本，另一方面要積極參與公益，承擔社會責任。”韓璧丞介紹，近幾年，其公司通過與中國殘疾人聯合會及相關慈善機構合作，以資助計劃等活動形式，為肢體殘疾人士免費安裝了數百隻智慧倣生手。
除此之外，上海傲意資訊科技有限公司、丹陽假肢廠有限公司等國內企業，近年來同樣開始致力於智慧倣生手的商業化及公益普惠，連續幾年在上海、廣西桂林、雲南昆明等城市為多位上肢缺損者提供智慧倣生手的免費安裝及售後服務。
“智慧倣生手具有較精密的結構，成本自然也高。近年來國內企業逐漸崛起，打破了國外產品對該領域的壟斷，產品價格從數十萬元降至十萬元左右。”業內專家表示，未來倣生手在滿足人手所需基本功能的同時，在價格低廉、易於維護方面，還需研發人員持續優化。
洪恒飛 本報記者 江 耘
