近日，國際頂級期刊《ScienceRobotics》刊登了一篇令人矚目的研究，詳細(xì)記錄了東南大學(xué)宋愛國教授領(lǐng)導(dǎo)的HANDSON團(tuán)隊在2024年Cybathlon全球輔助技術(shù)大賽中奪冠的技術(shù)細(xì)節(jié)。這標(biāo)志著中國在輔助技術(shù)領(lǐng)域的研究首次獲得如此高級別的國際學(xué)術(shù)認(rèn)可。

該成果以“Arm prosthesis with dexterous control and sensory feedback delivers winning performance at Cybathlon”發(fā)表在《Science Robotics》上。

科學(xué)與技術(shù)的完美結(jié)合讓47歲的徐敏——一位失去右上肢三十年的女性，在這場被稱為“仿生學(xué)奧運(yùn)會”的賽事中，以驚人表現(xiàn)擊敗了來自全球的頂尖團(tuán)隊，摘得手臂假肢項目桂冠。

從蘇黎世到《ScienceRobotics》：一項改變殘疾人生活的科技創(chuàng)新

Cybathlon由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院于2013年創(chuàng)立，旨在推動輔助技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。與傳統(tǒng)體育賽事不同，Cybathlon聚焦于如何通過技術(shù)解決日常生活中的實(shí)際障礙。

參賽者需要完成一系列模擬日常生活的任務(wù)，如處理食物、開關(guān)門、使用工具等，這些都是截肢者日常生活中常遇到的挑戰(zhàn)。

2024年10月，來自HANDSON團(tuán)隊的徐敏在蘇黎世賽場上創(chuàng)造了歷史。她不僅完成了所有任務(wù)，還是唯一成功完成最難題“觸覺袋”任務(wù)的選手——需要僅憑假手從盲取袋中取出具有特定形狀和柔順性的物體。

從另一個角度來說，也許徐敏的故事本身就是一曲韌性的贊歌。1992年，年僅17歲的她在一次工傷事故中失去了右上肢。像大多數(shù)截肢者一樣，她嘗試使用傳統(tǒng)假肢，但最終因不適感而放棄。

“1999年結(jié)婚時，我曾戴過裝飾性假肢，但很快就放棄了?！毙烀粼诓稍L中回憶道?！叭昀?，我已經(jīng)習(xí)慣了用一只手生活?！?/p>

然而，當(dāng)她了解到Cybathlon賽事后，內(nèi)心深處的火苗被重新點(diǎn)燃。她沒有肌電控制經(jīng)驗，截肢時間長，年齡也不占優(yōu)勢——但這些都沒有阻擋她迎接挑戰(zhàn)的決心。徐敏在不同行業(yè)工作經(jīng)歷中培養(yǎng)的熱情和堅定性格，使她能夠與技術(shù)團(tuán)隊無縫合作，共同向這個全球頂級賽事發(fā)起沖擊。

技術(shù)突圍，三大創(chuàng)新攻克數(shù)十年難題

東南大學(xué)宋愛國團(tuán)隊的研究始于2007年，一直專注于將先進(jìn)的感覺和反饋系統(tǒng)集成到機(jī)器人手中。在《ScienceRobotics》的文章中，研究團(tuán)隊詳細(xì)介紹了他們的三大技術(shù)創(chuàng)新。

三自由度手腕設(shè)計與雙指夾持器

團(tuán)隊開發(fā)了一種全新的假手和腕部設(shè)計，融入三個自由度。不同于傳統(tǒng)的五指設(shè)計，他們創(chuàng)新性地采用雙指夾持器結(jié)構(gòu)：近端指骨經(jīng)過強(qiáng)化可用于抓取重物，遠(yuǎn)端指骨則專門用于精細(xì)操作。

腕部機(jī)構(gòu)將主動旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)與被動屈曲關(guān)節(jié)相結(jié)合，顯著減少了在擰燈泡等任務(wù)中身體的代償性運(yùn)動。這種生物力學(xué)優(yōu)化設(shè)計使得操作更加直觀和高效。

多源意圖識別方法

針對徐敏殘肢的具體情況，團(tuán)隊開發(fā)了一種體驅(qū)動/肌電混合控制界面。兩個可拉伸織物傳感器檢測肩部運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手部驅(qū)動，雙點(diǎn)肌電傳感器則通過傳統(tǒng)肌電控制方法驅(qū)動腕部旋轉(zhuǎn)。

這種多源意圖識別策略不僅提高了手部操控的可靠性，還實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的腕部控制，使得在不同手臂姿勢下進(jìn)行精確操作成為可能。

機(jī)器視覺與多模態(tài)反饋系統(tǒng)

最獨(dú)特的創(chuàng)新是機(jī)器視覺輔助感覺處理與多模態(tài)反饋的結(jié)合。團(tuán)隊在假手掌心集成了一枚單目攝像頭，連接到嵌入在接收腔中的機(jī)器視覺識別模塊。

這個系統(tǒng)能夠?qū)崟r識別物體的幾何形狀和材料特性，然后通過幾種不同的模式反饋給用戶。其中四個發(fā)光按鈕呈菱形排列，這些按鈕用于輸入目標(biāo)特征（形狀和柔順性），而它們的發(fā)光則指示引導(dǎo)信息（前、后、左、右）。電子蜂鳴器發(fā)出不同的抓取階段信號，例如接近、接觸和握持。

手掌中集成了一個單目攝像頭，并連接到嵌入在插座中的片上機(jī)器視覺識別模塊，從而能夠?qū)崟r識別物體的幾何形狀和材料特性（圖1D）。這些組件共同構(gòu)成了一個完整的多模態(tài)反饋系統(tǒng)，提高了物體定位和抓取精度，確?？煽康靥幚砭哂胁煌卣鞯奈矬w。

失敗與轉(zhuǎn)折：從放棄到奪冠的心路歷程

奪冠之路并非一帆風(fēng)順。在決賽前的挑戰(zhàn)賽中，團(tuán)隊曾在一項需要強(qiáng)大抓握力和精準(zhǔn)腕部控制的任務(wù)上遇到困難。經(jīng)過數(shù)月測試，他們最終決定放棄該任務(wù)，認(rèn)為沒有隊伍能夠完成。

然而比賽當(dāng)天，兩支隊伍成功完成了這個“不可能”的任務(wù)?！斑@一經(jīng)歷對于揭示我們設(shè)計與其他設(shè)計之間的技術(shù)差距至關(guān)重要?！眻F(tuán)隊在《ScienceRobotics》文章中坦言。

這一失敗成為了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。團(tuán)隊開始與參加過2020年Cybathlon的中國團(tuán)隊Hands On合作，這次合作帶來了決定性轉(zhuǎn)變：用兩指夾爪取代五指假肢手，提高了功能兼容性。同時，他們重新開發(fā)了傳感與控制系統(tǒng)以優(yōu)化性能。新組建的HANDSON團(tuán)隊帶著新的決心，幫助徐敏克服每一個挑戰(zhàn)。

2024年Cybathlon的決賽任務(wù)更加注重假肢手的綜合性能：平衡精細(xì)和強(qiáng)大的抓握、增強(qiáng)手腕靈活性、提高雙手協(xié)調(diào)性以及提供有效的感覺反饋。在最難的“觸覺袋”任務(wù)中，徐敏需要僅憑假手從盲袋中取出具有特定形狀和柔順性的物體。這項任務(wù)需要綜合運(yùn)用視覺、聽覺和觸覺反饋，對假肢系統(tǒng)的感知和反饋能力是極大挑戰(zhàn)。

徐敏訓(xùn)練畫面

盡管面臨來自其他隊伍的巨大壓力，徐敏保持著非凡的鎮(zhèn)定，以最少的錯誤完成了所有任務(wù)。當(dāng)她沖過終點(diǎn)線時，這一刻驗證了整個團(tuán)隊兩年的準(zhǔn)備工作。

為何這項研究能登上《ScienceRobotics》？

HANDSON團(tuán)隊的研究之所以能登上《ScienceRobotics》，不僅僅因為他們贏得了比賽，更因為他們的技術(shù)突破解決了輔助技術(shù)領(lǐng)域的多個關(guān)鍵科學(xué)問題。

首先，他們實(shí)現(xiàn)了感知與運(yùn)動控制的閉環(huán)系統(tǒng)。將機(jī)器視覺集成到假肢中，為用戶提供了前所未有的環(huán)境感知能力，這超越了傳統(tǒng)的僅依靠肌電信號的控制方式。其次，多模態(tài)反饋方法創(chuàng)新性地解決了感覺缺失問題。通過視覺、聽覺和觸覺的多種反饋方式，用戶能夠獲得更加豐富和直觀的操作信息。

最重要的是，這項研究展示了如何將實(shí)驗室技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。Cybathlon作為一個測試平臺，驗證了輔助技術(shù)在真實(shí)環(huán)境中的性能，這對于推動技術(shù)從實(shí)驗室走向日常生活具有重要意義。

HANDSON團(tuán)隊的愿景遠(yuǎn)不止于此。他們計劃繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計并擴(kuò)展其在日常生活中的應(yīng)用。

降低成本和提高可靠性是技術(shù)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。目前的高端假肢價格昂貴，使得許多需要的人無法獲得。團(tuán)隊希望通過優(yōu)化設(shè)計和制造流程，讓更多截肢者能夠從這項技術(shù)中受益。

延長電池壽命和提高舒適度也是未來改進(jìn)的重點(diǎn)。當(dāng)前系統(tǒng)需要頻繁充電，且長時間佩戴的舒適度仍有提升空間。團(tuán)隊未來還計劃開發(fā)更加智能的控制算法，使假肢能夠?qū)W習(xí)用戶的習(xí)慣和偏好，提供更加個性化的輔助體驗。