3D打印與神經形態科技結合，打造具有觸覺反饋的仿生機械手
時間：2025-03-11 14:48 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年3月10日，來自約翰霍普金斯大學(JHU)、佛羅里達大西洋大學(FAU) 和伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)的研究人員開發出了一種能夠模仿人類觸覺的機械手。這款仿生設備結合了 3D 打印的內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構，使其不僅能感知觸碰，還能識別物體形狀和材質。
這項研究由約翰霍普金斯大學生物醫學工程教授 Nitish Thakor 和生物醫學工程師 Sriramana Sankar 領導，旨在改善手部殘疾患者的假肢解決方案，并改進機械臂與物理環境的互動方式。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基金會(NSF) 的資助。Sankar說：“從一開始，我們的目標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境互動，感受和擁抱他們所愛的人，而不必擔心傷害他們。”
△受人類手部啟發而開發的具有神經形態觸覺感應功能的混合機械手。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，可以穩穩地握住水瓶，同時又足夠靈巧，可以拿起易碎的塑料杯而不損壞它。為了實現這一目標，機械手以獨特的方式將軟機器人的靈活性與傳統剛性機器人的強度相結合，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，以及用于檢測細微振動的壓電層，模仿人類手指復雜的感官體驗。混合機器人手指包含三個獨立驅動的軟關節，由化學制造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 硅膠制成，并由 3D 打印的聚乳酸 (PLA) 剛性骨骼結構支撐。有限元分析和實際測試表明，混合手指在僅 7 psi 的驅動壓力下即可實現顯著的靈活性，曲率達 130°，屈曲角度達 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出信號，告訴你杯子正在滑落。我們的系統是受神經啟發的——它模擬手的觸覺受體來產生類似神經的信息，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分26 種不同紋理方面非常有效，平均準確率高達 98.38%，而標準軟硬假肢手指的準確率約為 83%。為了高效處理觸覺信號，研究團隊采用了神經形態編碼，這是一種受自然神經通訊啟發的方法。這種方法顯著增強了手部辨別紋理的能力。實際演示進一步凸顯了機械手的實用性，成功進行了肌電圖（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中識別和區分 15 種常見日常物品的準確率高達 99.69%。測試的物品包括不同形狀、質地和柔軟度的物體，展示了機械手的適應性和精確度。研究人員稱這項研究是一項突破，但仍有改進的空間，比如增加剛性關節以增強抓握力，并將感官覆蓋范圍擴大到指尖以外。他們還建議探索神經刺激，為用戶提供更自然、更逼真的觸覺。
△具有多層神經形態觸覺感應的混合手指。圖片來自 JHU
改善假肢的抓握和人工觸覺
同樣地，全球各地的相關研究團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向德國一家醫療機構交付了先進的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，抓握能力明顯優于傳統假肢。
△3D 打印手臂。照片來自Hero Arm的梅琳達·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期。假肢項目由烏克蘭超人基金會協調，并得到萬事達卡的支持，旨在擴大烏克蘭的假肢和康復服務。布里斯托大學的科學家開發了一種名為“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 打印結構制成，可以感知物體形狀并傳輸類似于自然觸覺反應的人工神經信號。在測試過程中，TacTip 可以準確地響應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之間存在顯著的相似性。研究團隊表示，通過進一步改進，TacTip 可以顯著提高機器人的靈活性，使機器人能夠自動執行水果采摘等敏感任務，或在假肢手中提供增強的觸覺。
(責任編輯：admin)
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