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本站 1 月 27 日消息，本站從中國科學技術(shù)大學官網(wǎng)獲悉，近日，中國科學技術(shù)大學工程科學學院 / 人形機器人研究院張世武教授、王柳特任教授、金虎副教授與孫帥帥特任教授成功研發(fā)了一種具備 19 自由度的輕質(zhì)仿生靈巧手，能夠復現(xiàn)人手級別的功能，有望服務全球上千萬上肢截肢患者的手部功能重建與日常生活輔助，并應用于人形機器人靈巧操作。相關(guān)成果 1 月 22 日以 "A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions" 為題在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《Nature Communications》。

人手具備 23 個自由度，重量僅為人體重量約 1/150，但運動功能占全身運動功能的 54%，是體現(xiàn)人類以及人形機器人工作能力的關(guān)鍵部件。然而，現(xiàn)實中，包括人形機器人的靈巧手以及全球超過一千萬名上肢截肢患者的假肢手應用面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)假肢靈巧手通常使用電機驅(qū)動，功率密度低，難以在自由度與重量之間找到理想平衡：佩戴超過人手重量（0.4 千克）的靈巧手會讓患者感到嚴重不適，而自由度較低（通常少于 10 個）靈巧手僅能實現(xiàn)有限的抓握動作，遠不及人手的靈活性。這些限制導致接近一半的假肢靈巧手被患者放棄使用。因此，兼顧高自由度靈巧運動和舒適佩戴的設計方法是假肢靈巧手領(lǐng)域的重要科學問題之一。

研究團隊以高功重比形狀記憶合金（SMA）為人工肌肉驅(qū)動，仿生設計了類肌腱傳動系統(tǒng)放大 SMA 的驅(qū)動力同時減小傳動阻力，基于類肌腱分離傳動特征在手指及手腕內(nèi)嵌入 23 組傳感單元實現(xiàn)關(guān)節(jié)精確運動控制，并集成包含冷卻模塊的 38 組陣列式 SMA 驅(qū)動器，實現(xiàn)了假肢靈巧手的 19 主動自由度運動，如圖 1 所示。得益于仿生設計方法和高度集成方法，所設計的假肢靈巧手僅重 0.37 千克，具備人手級別的靈巧操作能力，可完成諸如梳頭、寫字、握手、遞名片和下棋等日常精細操作任務，實現(xiàn)了佩戴舒適性、高自由度和精確可控的兼顧。

通過與語音識別技術(shù)結(jié)合，假肢靈巧手具備簡單、友好且低成本的人機交互能力，支持 60 種語言和 20 種方言，具備 95% 的識別準確率和毫秒級的響應時間，適于在截肢患者中普及。在臨床測試中，一名 60 歲女性截肢患者僅用半天便熟練掌握該假肢靈巧手的使用，成功完成了多項標準假肢手功能評估實驗中的代表性任務，包括南安普頓手功能評估程序（SHAP）和沃爾夫運動功能測試（WMFT）。值得一提的是，該假肢靈巧手還展現(xiàn)了操作剪刀、使用手機以及完成復雜的手語手勢的能力，完美復現(xiàn)傳統(tǒng)的 33 種人手抓握動作，還能夠完成 6 種更高難度的新抓握動作，使用場景豐富（圖 2）。該假肢靈巧手具有極強的工程應用前景，可為人形機器人靈巧操作及高性能假肢手研究提供有效的解決方案。

該項研究工作得到了國家自然科學基金及安徽科技創(chuàng)新攻堅計劃重大項目支持。