使用感測器、軟體、電子及 3D 列印技術創造的智能假肢

感測器和軟體正在改變假肢

乍一看 ， 盧克手臂看起來很像假肢，這種假肢的命名來自於《星戰》英雄盧克天行者在《帝國反擊戰》中他獲取機械臂，他的機械臂比起以前的手臂更加靈活。

耗費「六百萬美元」的假肢修復後，它的功能可能會更好、更快、更強，但大部分耗費都集中在材料上。假肢製造商已經將鈦和碳纖維取代了木材和鋼鐵，以降低重量，同時增加了在肢體表面的聚合物，使其更柔軟。但是，盧克手臂的突破點隱藏在感測器中，手臂對穿戴者自己的動作能夠作出反應。

作為美國國防高級研究計劃局(Darpa)的一部分，由DEKA研究和開發公司開發的一項革命性的假肢技術，該部門正被啟動的Mobius仿生學公司推向市場。它使用肌電圖(EMG)電極來檢測佩戴者剩餘肌肉收縮時產生的電信號。電極將信號傳輸到嵌入在假肢中的處理器，該處理器控制其運動:打開和關閉手指或改變抓握能力。穿戴者的鞋子中的感測器可以通過無線方式傳遞指令，以響應腳部運動來實現抓地力。

與它未來的電影版本不同，盧克手臂的動作數量有限，但佩戴者可以完成比舊設計更複雜的任務。他們可以選擇更精緻的物體，比如雞蛋或葡萄，因為手指上的壓力感測器會報告手指上的馬達施加了多少力。用戶可以在鎖上打開鑰匙，準備食物，手持工具。

不需要高度定製化的感測器

據歐洲醫療保健業務發展經理jan- hein Broeders說，盧克假肢不需要高度定製化的感測器，該公司提供MEMS感測器(微機電系統（Microelectro Mechanical Systems）)、數字隔離器和臂內使用的雙運算放大器。他補充說，DEKA電路使用常規的積木，包括iCoupler數字隔離器，超過4kV的最小隔離屏障，達到5kV的隔離，以盡量減少組件的老化效應，以及EMG測量的AD8233集成信號塊。它還使用儀器放大器對每根手指上的感測器進行功率感測器，可以測量出每根手指的相對位置。這是抓住物體所需要的，所以正確的壓力可以應用。

其他感測器用於測量影響，例如，如果一個物體被觸摸，或者一隻腳被放置在地面上。加速度分布是完全不同的，電子設備需要識別低或弱的信號以準確地處理數據。

陀螺儀測量旋轉，例如在倒一杯水的時候手腕。使用一個精確的陀螺儀是很重要的: 就其本質而言，在20分鐘之內的誤差累積，信號很容易累積一度的偏移，Broeders說。盧克手臂也使用電容感應技術，在兩個板之間有介電物質可以精確測量運動。模擬裝置將電容感測器嵌入到數字轉換器(ADC)中，用於精確檢測運動，繼續進行。

例如，為了監視物體或手指的位置，光學感測器利用光源來感知路加手臂的運動元素的位置。研究人員指出，使用光學組件的一個實用理由是，電子設備可以密封，它們只需要一個窗口來操作——這意味著在一個肢體內的嵌入式系統可以防水。

如何節約能耗

Broeders說，在假肢設計中考慮的因素有大小、耗能和準確性。儘管控制是由佩戴者的肌肉所產生的自然電流提供的，但需要電池來為電機和電子設備供電。這為開發人員帶來了設計挑戰。雖然電力損耗在電動機中是不可避免的，但在工程團隊中，將多個感測器的損耗最小化到一股電流。

長期使用，MEMS設備(如加速計和壓力感測器)可以消耗大量的電流。但是，大部分時候，手臂可能不會這麼做。即使在使用時，胳膊的移動速度通常比感測器的更新速度慢得多。這些電子設備可以被編程來喚醒，並且只有當探測到運動時才可以為各種感測器供電。這使得大部分的感測器陣列在大多數情況下只能運行在毫安。

Broeders說，下一步是在處理和計算操作過程中降低能耗，並限制系統的耗能在一定的範圍之內。

盧克臂可以做肩關節，中臂或中下臂假肢

對於手腕和手掌部分,BrainRobotics已經製造了一個機器人假肢，它於2017年在CES上推出。在EMG感測器的幫助下，醫生在手術過程中進行30分鐘期間就要進行控制演算法模型訓練，學習穿戴者的預期操作。每個手勢在一個30秒的測試周期中學習。「演算法能更好地識別信號的差異，」BrainRobotics公司的機器人工程師Kacper Puczydlowski說。通過分析手勢的時間長度的不同，演算法會評估這是一種彎曲運動，還是信號更有力，表示控制運動。「軟體計算手指關節角度的關係來確定抓地力，以及是否需要旋轉運動。」

普濟德夫斯基說，用聚合物套筒從鋁中製造出來的材料可以提供高強度的材料。這隻手能夠攜帶重達20公斤的物體。這家總部位於波士頓的公司，在中國有一家工廠，預計在2018年1月能提供一套完整的手臂，並能在兩到三年的時間內提供可定製的假肢。

模擬人類的神經感知

由於EMG感測器只能提供有限的對假肢的控制，對神經假肢的研究正在研究一個模塊化假肢如何能對人類思想作出反應。位於巴爾的摩的約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的研究人員正在研究四肢如何解釋和轉換神經系統信號。

在對人類肢體的外科手術中，有針對性的肌肉神經支配(TMR)，可以替代假肢的思想控制。控制原始手臂和手臂的神經被重新分配到肢體上的肌肉。這些神經將電子信號傳送給假肢裝置中的控制器。

和控制運動一樣，假體設備可以將信號反饋給大腦，讓佩戴者體驗到通過義肢觸摸的感覺。這種有針對性的感覺神經支配(TSR)使神經重新得到控制。外科手術在神經中定位纖維，將脈衝從指尖傳送到大腦。這種纖維附著在皮膚下面的神經上，為肢體的另一部分的手指創造觸點。大腦沒有意識到它所識別的拇指實際上位於肘關節上方。當神經振動時，佩戴者可以感覺到自己的手指，讓他或她感覺到當有人握著他們的手，同時也使他們能夠在不去看的情況下就能感知並抓住使用假肢的物體。

在另一個項目中，Darpa正在將TMR和TSR結合在一起。試驗證實，不僅可以接收到感覺，而且這種想法還能傳遞信號來移動一種物理上分離的假體，並將其置於實驗對象之外。

約翰·霍普金斯大學的首席工程師邁克爾·麥克洛林說:「手臂學會了如何理解你想要做的事，而不是學會控制手臂。」這是我們試圖做的事情的根本不同。

假肢的其他限制是自由程度和他們能達到的運動範圍。要伸手去喝一杯水，喝一杯水，需要七度的自由，有夠的，有抓的，有旋轉的動作。下一步是增加動作的彎曲程度。使用皮質晶元進行測試，攜帶記錄電極，植入脊髓損傷病人將測試一種理論，即增加傾聽大腦的能力將會產生更多的信號，並使更複雜的運動得以實現。

2014年，匹茲堡大學(University of Pittsburgh)的一個研究小組資助的一個研究小組證實，神經植入技術使28歲的四肢癱瘓者內森·科普蘭(Nathan Copeland)能夠控制機械手臂，體驗觸覺。

兩個微電極陣列被植入了Copeland大腦的運動皮層，兩個位於感覺皮層區域，與他手指和手掌的感覺相對應。他被約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室安裝了一個機械手臂，配備了扭力探測器。當壓力被應用到手指上時，探測器就能探測到壓力，並向陣列發送電子信號來刺激感覺神經元以提供觸覺。

繼續追求開發越來越智能的假肢設備

匹茲堡大學的研究人員計劃將晶元與遙測系統結合在一起，以處理記錄的數據，然後將其發送到控制手臂的植入處理器。研究小組還在研究增加感官能力，例如，用感覺熱量的材料，將信息傳遞給植入大腦的晶元，從而處理感官刺激。

與此同時，用於建造假肢的材料也在進步。開放式仿生學已轉向熱塑性聚氨酯，用於更便宜的仿生假肢。該公司首席執行官喬爾?吉伯德(Joel Gibbard)解釋說，這種材料有橡膠般的感覺和「給予」。他說:「大多數仿生武器都是由鋁或其他更堅硬的材料製成，以增強其堅固性。」「我們的製造和材料選擇的結合，創造了一個堅固、靈活、橡膠，而不是一個死板的產品。堅硬的外殼不受影響。

該公司還使用聚乳酸(PLA)塑料來為四肢創造可移動的覆蓋。他們主要針對的是年輕的穿著者，有一個「雪花手」，靈感來自迪士尼電影《冰雪奇緣》(Frozen)，這是一個鋼鐵俠的手，與漫威宇宙(Marvel)和《星球大戰》(Star Wars)的光劍手相連，與盧卡斯影業(Lucasfilm)的ILMxLAB合作設計。更多的設計是有計劃的，Gibbard希望時尚品牌也希望與他的公司合作，為成年佩戴者設計服裝。

這家總部位於英國的公司目前與英國國家醫療服務系統(NHS)簽訂了一項發展合同，為孩子們使用仿生手進行臨床試驗。吉伯德說，只有通過3D列印技術，才能為八歲的孩子製造仿生義肢。印刷技術所能提供的一個優勢是，從接受測量到擁有一個可穿戴的假體。

另一個優點是重量;吉伯德說，這些新式設備比現有的更輕。他解釋說:「3D列印可以改變關鍵區域的組件密度。」這使得零件在不需要剛性的情況下是空心的，這在其他製造過程中是不可能的，例如注塑或銑削加工。

3d列印設備不需要購買機械部件，而是允許定製的組件部件，以適應和匹配另一隻手的尺寸和外觀。開放式仿生學製造出完整的單元、手和插座(手臂)，以及集成的電極和電池。「成本也降低了。「我們能夠創建一個產品與幾個功能在10萬英鎊以內,「吉伯德說。「假肢診所會買手，買電極和電池，然後把它們放進胳膊。」

仿生假肢仍處於測試的後期階段

我們希望這項技術能快速發展，」吉伯德說。該公司提供開源軟體，因此開發人員可以輕鬆地進行更改，並向開發社區提供。他繼續說:「一種方法是讓大學更容易在這個項目上工作，從而使Ada和開發工具包更容易使用。」

這隻名叫Ada Lovelace的機器人手，包括教程和指令，可以在一個桌面家庭3D印表機上列印出一個完全鉸接的機器手，並在一個小時內組裝完畢。Ada手可以通過USB連接的電腦控制。它擁有移動手指所需的所有驅動器，並且有一個裝有微控制器的電路板，可以通過Arduino編程環境來編程。

即將宣布的Brunel機器人手開發工具包比Ada更快、更輕、更強大，它是一個完整的裝配單元，可以直接放置在機器人上推進假肢研究項目。

3D列印的便捷性和低成本已經得到了《不可能的實驗室》的首席執行官米克·埃伯林的認可。他在蘇丹建立了丹尼爾項目。在英特爾的支持下，他建立了一個3D假列印實驗室。筆記本電腦和3D印表機被用來為戰爭中受傷的人生產和安裝手臂。該實驗室已被建立為一個培訓設施，當地居民能夠學習如何測量、設計和製造四肢並適合它們。

裝備了感測器、神經介面和自定義設計，假肢似乎將會改變我們迄今為止在電影中看到的東西。

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