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用腦機接口技術實現對仿生手控制 肢殘人士重“掌”人生

“十三五”期間,我國通過實施精準康復服務行動等,累計為1252.5萬殘疾人提供輔助器具服務。在諸多高科技輔具中,通過采集、處理人體肌電神經電信號,幫助佩戴者重獲雙手功能的智能仿生手,正為越來越多的肢殘人士帶去福音。

握筆、沾墨、下筆一氣呵成……12月8日,在浙江杭州人工智能小鎮內,有著4年智能仿生手佩戴經歷的倪敏成向科技日報記者展示書法。他介紹,自己可以用意念精準控制仿生手的每根手指。這對機械臂已經成了他身體的一部分。

傳統的功能義肢需要通過物理按鍵或搖晃等方式,才可以實現簡單的手勢切換。年來,腦機接口、人工智能等前沿技術不斷發展,在殘障人士輔助器具領域得到廣泛應用。

“十三五”期間,我國通過實施精準康復服務行動等,累計為1252.5萬殘疾人提供輔助器具服務,2020年殘疾人基本輔助器具適配率超過80%。在諸多高科技輔具中,通過采集、處理人體肌電神經電信號,幫助佩戴者重獲雙手功能的智能仿生手,正為越來越多的肢殘人士帶去福音。

用腦機接口技術實現對仿生手的控制

一只完整的手擁有27塊骨頭,由34塊肌肉牽引完成動作,被48條神經控制……多年來,國內外研究人員致力于研制出形狀能與人手一致的義肢。在上個世紀80年代,我國部分高校院所就開始著手相關工作,研制出了若干具有一定靈活度的多指仿生手,并積極嘗試完善其功能。

自1924年,德國醫生貝格爾在人類歷史上首次記錄到人腦腦電波活動現象,腦機結合研究的紀元就已開啟。1999年,人類首次實驗證明大腦皮層神經元群可以直接控制機械手臂,這一發現極大地促進了腦機接口技術用于義肢研發。

人的動作意圖由大腦發出,經由脊髓傳遞到外周神經,支配肌肉運動。這一過程中,肌肉內還伴隨可觀測的肌電信號。以往,國外肌電仿生手產品主要靠感應手臂兩側屈肌和伸肌肌電信號,映射至機械臂完成動作,對大腦行動想法的呈現和執行依然有限。

“不妨將大腦發出動作指令到肢體動作完成的過程理解為撥電話,殘肢則是被切斷的電話線,信號匯集在那,只是暫時無法輸出。”哈佛大學腦科學中心博士、強腦科技有限公司創始人兼CEO韓璧丞認為,智能仿生手的變革之處在于應用腦機接口技術,將“電話線”切斷處的神經信號更精細化處理后再傳遞出去。

據了解,腦機接口技術可分為侵入式與非侵入式兩大類。前者采用在腦部植入電極的方式,后者則是在頭皮上涂抹導電膏、佩戴采集設備獲取腦電信號。二者各有優劣,但后者接受度相對較高。

“腦電信號強度為幾十微伏,比肌電信號更弱,相當于一節5號電池電流強度的百萬分之一,要捕獲它,堪比搜尋50公里外的蚊子振翅聲。”韓璧丞表示,為了捕獲極其微弱的腦電信號,其團隊通過革新電極材料,制成采集腦電信號的傳感器,實現腦電信號的大規模精準采集,建立起了龐大的腦電及肌電神經電數據庫。他們基于此研發出的BrainRobotics智能仿生手,可采集殘肢的肌電神經電信號,再經過深度學的神經網絡算法還原大腦中的動作意圖。

完善智能仿生手功能讓它更似人手

輕輕拿起一顆雞蛋,既不讓雞蛋脫手,也不會用力過猛將其捏碎。這對常人來說,是毫不費力的事情。但對仿生手而言,從生理信號采集識別,到產品材質、構造,都需要經過縝密設計才能實現這個功能。

此前,由德國奧托博克公司研發的“米開朗基羅之手”,每根手指上均安裝有傳感電極,具有7種不同抓取能力。隨著技術迭代和設計優化,目前國內在售的智能仿生手,已可實現20多種手勢動作,具備10個活動關節,手腕處可集成位置、力量、姿態、加速度等傳感器,從而模擬人手的感知能力。

“仿生手內置的肌電感應傳感器與算法處理單元負責獲取動作意圖,具體實現有賴于靈活的手指關節保障驅動自由度。”強腦科技有限公司的體驗官古月介紹,自己佩戴仿生手一年多,不僅能完成拿雞蛋、擰瓶蓋、系鞋帶等日常動作,還能完成跳繩、攀巖這類劇烈運動,比個“OK”“666”也不在話下。

記者了解到,現有商業智能仿生手雖然取得了很大的進步,但仍存在對環境情況感知不夠、小臂處構造僵硬、生物感不強等問題。此外,智能仿生手的應用尚難擺脫肌電信號控制,因此對高位截癱和肌肉損傷患者無能為力。

為此,浙江大學寧波研究院夏慶華團隊開發出表面覆蓋有柔多維感知傳感器陣列的智能軟體仿生手,用于感知外部壓力、滑覺、溫度、濕度,并據此調節仿生手的狀態。在接觸到結構較硬或較軟的物體時,仿生手自身剛度也隨之調整。

“基于團隊搭建的腦電和肌電信號數據庫,去年我們發布了以人機物聯網為核心理念的BrainOS大腦智能操作系統。”韓璧丞介紹,通過該系統,未來或許可以讓具備腦機接口的設備偵測到用戶的腦電信號,并將其直接輸送給智能終端,實現隔空對智能終端進行操作。

智能仿生手進一步普及還需持續優化

根據中國殘疾人聯合會數據顯示,2010年末,我國殘疾人總人數約8502萬人,其中肢體殘疾約2472萬人。中國殘疾人聯合會相關負責人介紹,到2025年,我國殘疾人基本輔助器具適配率預計將達到85%以上。

今年7月,國務院發布的《“十四五”殘疾人保障和發展規劃》提出,要加快康復輔助器具創新產品研發生產,增強優質康復輔助器具供給能力,推動康復輔助器具服務提質升級;鼓勵實施公益康復輔助器具適配項目。

“由于康復輔助器具價格較高的原因,殘疾人群體購買力不強。這就要求企業一方面要持續改進工藝、降低生產成本,另一方面要積極參與公益,承擔社會責任。”韓璧丞介紹,幾年,其公司通過與中國殘疾人聯合會及相關慈善機構合作,以資助計劃等活動形式,為肢體殘疾人士免費安裝了數百只智能仿生手。

除此之外,上海傲意信息科技有限公司、丹陽假肢廠有限公司等國內企業,年來同樣開始致力于智能仿生手的商業化及公益普惠,連續幾年在上海、廣西桂林、云南昆明等城市為多位上肢缺損者提供智能仿生手的免費安裝及售后服務。

“智能仿生手具有較精密的結構,成本自然也高。年來國內企業逐漸崛起,打破了國外產品對該領域的壟斷,產品價格從數十萬元降至十萬元左右。”業內專家表示,未來仿生手在滿足人手所需基本功能的同時,在價格低廉、易于維護方面,還需研發人員持續優化。

來源:肢殘人士重“掌”人生
編輯:GY653

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