人造皮肤和脑部直接控制:机器人假肢的未来

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

2017年,休斯顿大学研究人员宣布了一项有关机器人假肢技术的重大突破。其研发的新型机械手可以检测出温度差异。此外,该机械手还可以将计算机数据转换为美国手势语言中对应的手势。该技术突破对我们关于机器人假肢未来发展的思考有什么启发呢?

机械手:人类医疗领域的重大突破

Prostetic robotic hand

Jarno – stock.adobe.com

失去肢体对于人类来说是毁灭性的打击,在几十年前更是如此。这就是为什么在第一次世界大战中不惜一切想要逃避军事任务的士兵们有时会向自己的脚或手开枪。这是可以摆脱战斗的一种方法。不幸的是,这种伤害带来的是长期的痛苦、限制以及较低的生活质量。在机器人技术出现之前,足部假肢技术的最后一次重大进展是1971年研发的“斋浦尔脚(Jaipur Foot)”。

近年来,随着机器人假肢设备的问世,情况发生了变化。让我们进一步了解一些可用的设备。

现今的机器人假肢可以做什么?

只用一个简单的钩子进行工作已经是过去式了。2016年,佛罗里达州的一位癌症幸存者Johnny Matheny成为首批机械臂的试用者之一。约翰霍普金斯应用物理实验室(APL)研制的这款机器人设备可以由大脑直接进行控制。为了实现这一成果,实验室从美国国防部申请了超过1亿美元的资金。由于士兵和退伍军人需要得到相关援助,军队会积极促进新假肢的研发。

Matheny称,与传统假肢相比,APL开发的机器人假肢具有立竿见影的效果。他马上就对该设备发出了惊叹:

“以前,我用这种保护带通过抽吸和捆扎的方式来穿戴假肢。但是,现在通过骨整合的方式就可以顺利连接植入体,不再需要那些过程。机械臂就像长在自己身上一样,没有什么会对我造成困扰了。以前,我的活动范围是受限的——我无法伸过头顶和背后。现在,‘嘭’的一声,这种局限性消失不见了。” – APL的模块化假肢技术获突破

注意:骨整合是将骨骼与人造肢体相连接的医疗程序。这是确保机器人假肢操作安全的关键性步骤。

因此,它比非机器人假肢设备的响应速度快得多。与其他突破性的技术一样,机器人假肢技术也存在一些明显的缺点。设备必须保持干燥,并且不能用于驾驶操作。同时,连接该设备还需要进行至少两次的外科手术,因此需要花费大量的时间,使用该设备的风险也会更大。那么如何通过机械腿来帮助人们生活得更加灵活自如呢?

正在走进您的生活的机械腿硬件

在阿富汗的一次爆炸事故中受了伤的Andy Grant,因为使用刀片式假腿参加10K比赛而上了2017年的头条新闻。人们需要有能够承受体育比赛压力的假肢。但是,除了帮助人们参加竞走比赛,机械腿还可以完成许多其他的任务。

比如Ottobock 研制的X3机械腿,不同于简单的刀片,该机械腿可以通过用户的智能手机进行控制。同时,该设备还具有防水功能,因此在日常生活中具有更多的用途。该设备的电池可以续航五天。通过与智能手机结合使用,该设备的学习曲线比其他设备更短。但是,连接智能手机会产生安全问题。如果您的机械腿被恶意软件入侵或破坏,可能会导致严重的损伤。

从历史发展来看,对假肢的适应是一个很艰难的过程。但是,人工智能(AI)软件的开发使这个过程变得容易了一些。通过使用加强学习方法,一个AI研究项目在机器人膝盖方面取得了重大进展:“使假肢穿戴者可以在平地上平稳行走10分钟。”该研究在2019年发表于IEEE Transactions on Cybernetics期刊上,这意味着未来机器人假肢技术可能可以实现产业化并且变得更加富有成效。

但是,在广泛使用这种类型的AI技术之前,有许多重要的安全和基础学科问题亟待研究。

提示:如果您不想要通过智能手机来控制机械腿该怎么办?MIT的研究人员开发了具有语音指令功能的机器人。百特研究机器人通过动态调整人类的语音输入完成了一些体力工作。因此,机器人假肢可能需要使用较少的编程才能在未来变得更具成效。

推动机器人假肢发展的硬件开发:热量和压力传感器

机器人假肢需要具有响应能力和耐用性,并且需要模仿自然肢体的感知功能。在传感方面,与物联网(loT)连接的低成本温度传感器和压力传感器将会给人类穿戴机器人假肢带来更好的体验。第二个趋势是有关于需要供电的机器人假肢灵活性的硬件开发。电池技术的发展对于机器人假肢便捷性和安全性的提升尤为重要。如果穿戴机器人假肢的人担心腿没电后会突然倒地,那么使用此类的设备就可以避免这种情况的发生。

压力传感器是机器人假肢中最重要的硬件组件之一。回想一下您最近一次用手揉捏酸痛的肌肉。在适当的压力水平下,您会感到酸痛有所缓解。如果机器人假肢施加的力过大,您可以会因此受伤。一篇2017年的研究论文提出使用 A101 FlexiForce来解决感测和施加压力方面的问题。该传感器能够在-40°C至60°C(-40°F 至 140°F)的温度范围内工作,并且在撰写本文时其成本不到100美元。传感器很小,成本低,因此易于安装在机器人设备中(包括机器人假肢)。

温度传感器是机器人假肢中的另一个关键硬件设备。如果没有感测温度变化的能力,那么触摸炉子或者其他高温表面时可能会损伤机械手。触觉传输机械手使用热量和压力传感器为人类用户提供反馈。正如2019年装备BioTec的Dexterous Hands机械手所展示的那样,这些机械手为人类用户带来了逼真的体验。但是,传递热量信息会带来风险。假设过多的热量被意外传递,人类可能会受到伤害。未来,带有热量和压力传感器的机器人假肢将需要被更加仔细地校准,以更好地在安全性和有用的反馈信息之间进行衡量。

DevicePlus 编辑团队
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