抓取水瓶、摆放餐具、穿衣晾衣、盲盒取物、持锤敲钉……瑞士时间10月26日15时11分，第三届全球辅助技术奥运会（又称“半机械人仿生奥运会”）“上肢义肢”组比赛现场，代表中国出征的江苏籍选手徐敏佩戴上人机共融型生机电一体化假肢手，熟练有序地进行着一系列复杂精细动作，最终以90分的成绩问鼎全球人机共融技术之巅。
这是中国科研团队在全球顶级科技助残赛事中创造的最好成绩，也打破了往届假肢组均为纯机械式假肢摘得冠军的纪录。这只“手”缘何能脱颖而出？其背后究竟有哪些硬核科技？
难度升级，要稳准还要可感
全球辅助技术奥运会是由瑞士苏黎世联邦理工学院创立的非营利性项目，主要针对残障人士与先进科技辅助设备结合的一项独特的国际性赛事。本届总决赛共有26个国家、76支队伍参加八个大项的角逐。其中，“上肢假肢”组是大赛中竞争最为激烈的组别之一。
此次代表中国出征的比赛团队HANDSON，依托于东南大学机器人传感与控制技术研究所宋爱国教授团队。HANDSON团队领队胡旭晖介绍，该组别预赛和决赛每轮比赛中，选手要在连续的8分钟内一次性完成10个假肢操作任务，最终以任务完成数量和完成时间判定成绩。
“相较往年，今年比赛的任务数量和难度均有增加，这对于我们来说是不小的挑战。”胡旭晖举例，比如今年比赛中新增了拎取水瓶、端铁锅等任务，这更考验假肢的抓取力、人机连接牢固度、双臂协作性等；赛中规定选手必须用假肢拉拉链，提高了对假肢穿戴便利性的要求；用假肢起钉子、在狭小空间中拧灯泡，则是考验假肢手腕的灵活性。“此外，盲盒任务的规则更为苛刻，选手须用假肢在盲盒中取出指定形状的物品，这也要求假肢取物既要稳准，还要能感知。”
人机共融，精准控制如臂使指
对于正常人来说，动作的形成是由大脑感知环境作出运动意图后产生脑电波，脑电波沿着脊髓神经传递到外周神经，其表现的肌电信号最终控制肌肉收缩形成手部动作。而对于残疾人来说，尽管在截肢后缺失了手与部分上肢，但当他/她在产生手部动作意图的过程中，仍然会产生相应的肌肉电信号。
如何能捕捉这一肌电信号？徐敏在采访现场摘下右手假肢，向记者展示了其残肢上贴着的肌电电极。“因为残肢很多年没有用，肌电信号很弱。因此，为了捕捉到残肢上的肌电信号，在过去的近两年时间里，我们一方面需要不断进行技术上的调试，另一方面也要我不断进行肌肉训练，增强残肢的肌肉性能。”
宋爱国告诉记者，完成这项比赛要求智能假肢具备几项关键技术，首先就是肌电信号的解码与识别。“我们将肌电电极贴在假肢操作员残肢的肌肉表面，通过表面肌电信号的采集和解码分析来获悉人的运动意图，进而操控假肢完成动作。”
现场演示中，徐敏左边肩膀不断变换动作，带动着右边的假肢手根据指令进行张合。“为了更好地帮助残疾人控制假肢，我们提出了‘体躯-肌电’混合控制方法，即一方面基于肌电信号实现假肢手腕旋转控制，另一方面，我们研发了柔性可拉抻智能肩带，用于准确监测健侧肩部运动意图，实现对假肢手的精准开合。”胡旭晖说。
“过去操控假肢抓取矿泉水瓶，往往因为力量大小不可知，而导致一下子就把矿泉水瓶捏扁了。因此，想要像真实人手一样取物，还需要假肢具备很高的自由度以及高灵敏的力触觉传感器。”宋爱国举例解释，比赛中有一个动作是假肢握住锤子敲打钉子，这要求假肢的每个自由度都要有力量，因此如何优化力的传动机构设计与力控制是关键。
为此，团队通过假肢内的力传感器来精准测量假肢与外部环境之间的作用力，借助自适应最优力控制算法来实现对假肢的精准控制，让人在操控中仿佛是延长了自己的手臂。“尽管和真实的人手相比，这种力触觉感知反馈还比较粗糙，但相比以往的无感知反馈的纯机械式假肢，力触觉感知的添加无疑更有助于选手完成更为精细的动作。这就好比一个是直接用手抓硬币，另一个是戴着厚重手套去抓。”宋爱国说。
据了解，团队研发的这款轻量化三自由度义肢手臂，具备电动开合、电动腕旋、手动腕旋等功能，穿戴重量低于900克，最大抓取力达到120牛顿，其精细力控能力可以实现捏取晾衣夹子不跳脱、抓取灯泡不碎裂、夹取拉链不易松。
此外，针对盲盒取物比赛项目，团队先后测试迭代了四种摄像头，最终构建了基于机器视觉的手眼系统，实现了摄像头与假肢手的最优整合，满足在盲盒道具中对物体形状、材质等清晰成像和识别的要求。
丰富感知，更接近真实人手
据悉，宋爱国教授团队自2007年开展智能肌电假肢技术的研究，将力觉临场感遥操作机器人技术应用于新型智能假肢的研发，在智能肌电假肢的力触觉感知、力触觉反馈、自适应力控制、肌电信号识别等关键技术取得了重要突破，核心技术在丹阳假肢厂公司实现了产品化。其中，第二代肌电假手目前的国内市场占有率超过60%，售价仅不到4万元。
“对于我来说，比赛中所使用的假肢手在灵活度等方面已经达到要求，但考虑到假肢手的重量目前基本上要靠残肢承受，长时间佩戴起来依旧会觉得有点重。”徐敏表示，为了让假肢手的开合范围更大、输出力更大，假肢手头目前被设计成了四连杆平行二指设计。但如果从残疾人日常使用的角度来说，她期待这只“手”可以更加美观，更加轻便，更接近真实的人手。
“对于残疾人来说，假肢的意义一方面重建运动功能，另一方面也需要重建感知功能。我们希望假肢手在未来不单单可以有力触觉的感知，还可以有温度等方面的感知。”宋爱国告诉记者，接下来团队还将继续研发基于神经电信号接口的仿生软体假肢手，期待未来可以使肌电信号意图识别更精细，感觉反馈更加灵敏，假肢结构上自由度更多。
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采写｜谢诗涵
图片｜刘莉
视频｜王苏禾
编辑 | 谢诗涵
审核 | 杨频萍
主编 | 张琳
出品 | 新华日报全媒体科教新闻部
