仿生手「感知」觸碰 如真人般靈活抓握

約翰霍普金斯大學的工程師們開發出一款革命性的義肢手，能夠像真人一樣抓握毛絨玩具、水瓶等日常物品，並根據物體特性調整抓握力道，避免損壞或失手。這款系統的混合設計在機械手中尚屬首創，以往機械手往往過於僵硬或柔軟，難以模仿人類在處理不同材質和紋理物體時的觸感。這項創新為失去手部功能的人們提供了一個極具潛力的解決方案，並有望提升機械手臂與環境的互動能力。

該裝置的詳細資訊已發表於《科學進展》期刊。主導這項研究的約翰霍普金斯生物醫學工程師Sriramana Sankar表示：「我們的目標是打造一款基於人類手部物理和感知能力的義肢手，讓它不僅功能上更自然，更能讓使用者感受到失去的肢體。我們希望讓上肢缺失的人們能夠安全、自由地與環境互動，無需擔心傷害到所愛之人。」

這款新型混合機械手由前臂肌肉訊號控制，能夠輕鬆抓握並適應不同物體。該裝置由2018年開發出全球首款具有人類痛覺感知的電子「皮膚」的神經工程與生物醫學儀器實驗室研發，採用橡膠狀聚合物和剛性3D列印內部骨架的多指系統。其三層觸覺感應器靈感來自人類皮膚的層次結構，使其不僅能感知觸碰，還能辨識物體的形狀和表面紋理。

Sankar解釋道：「每個柔軟、充氣的手指關節均可由前臂肌肉控制，機器學習演算法則專注於處理來自人工觸覺受器的訊號，以創造出逼真的觸感。手指的感應資訊會被轉換為神經語言，透過電神經刺激提供自然的感覺回饋。」

在實驗室測試中，這款手成功識別並操作了15種日常物品，包括精緻的填充玩具、洗碗海綿、紙箱，以及鳳梨、金屬水瓶等較堅固的物品。實驗結果顯示，該裝置在處理物體時達到了99.69%的準確率，並能根據需要調整抓握力道以防止意外。最令人印象深刻的例子是，它僅用三根手指就靈巧地拿起一個裝滿水的薄脆塑膠杯，且未造成任何凹陷。

Sankar表示：「我們結合了剛性和柔性機械人的優勢來模仿人類手部。人類手部並非完全剛性或純粹柔軟，而是一個由骨骼、軟關節和組織共同作用的混合系統。這正是我們希望義肢手能達到的目標。這對機械人和義肢領域來說是一個全新領域，因為以往尚未完全擁抱這種混合技術。它能夠讓人們放心地握手或拿起柔軟物品，而不用擔心壓壞。」

約翰霍普金斯生物醫學工程教授Nitish Thakor指出，要幫助截肢者在抓握時恢復對物體的感知，義肢需要具備三個關鍵元件：感應環境的感應器、將資料轉換為類似神經訊號的系統，以及刺激神經讓使用者感受到觸覺的方式。這款仿生技術讓手部能夠透過前臂的肌肉訊號運作，這些訊號連線大腦與神經，使手部能夠根據觸感進行彎曲、釋放或反應。

Thakor進一步解釋：「當你拿著一杯咖啡時，如何知道它快要掉下來？你的手掌和指尖會向大腦傳送訊號，告訴你杯子正在滑落。我們的系統靈感來自神經，它模擬手部的觸覺受器，產生類似神經的訊息，讓義肢的『大腦』或電腦能夠理解物體是熱或冷、軟或硬，或是正在從抓握中滑落。」

雖然這項研究是混合機械技術的早期突破，可能徹底改變義肢和機械人領域，但Thakor強調，仍需進一步完善系統。未來的改進可能包括更強的抓握力、額外的感應器以及工業級材料。他總結道：「這種混合靈活性不僅對下一代義肢至關重要，也是未來機械手所需的，因為它們不僅要處理大型、重型物品，還需要與玻璃、布料或柔軟玩具等精緻材料互動。這就是為什麼像人類手部一樣設計的混合機械手如此珍貴，它結合了柔軟和剛性的結構，就像我們的皮膚、組織和骨骼一樣。」

其他參與研究的作者包括佛羅裡達大西洋大學的Wen-Yu Cheng；約翰霍普金斯大學的Jinghua Zhang、Ariel Slepyan、Mark M. Iskarous、Rebecca J. Greene、Rene DeBrabander和Junjun Chen；以及伊利諾大學芝加哥分校的Arnav Gupta。