劉 暢

(武昌工學(xué)院，武漢，430065)

0 引言

人類的四肢尤其人手是人類能夠完成抓取、移動、拋開、撿起等運(yùn)動的基礎(chǔ)，不論從力量的把控和精確的程度，人造假肢都很難復(fù)現(xiàn)這些偉大的藝術(shù)品。人們從來都不希望有一天會失去肢體，但斷肢、截肢的事件卻沒有消失，不少人在事故中失去部分肢體，導(dǎo)致生活和工作發(fā)生了巨大變故。據(jù)世界健康組織估計(jì)，全球大約有4000萬人需要假肢服務(wù)[1]，這一數(shù)據(jù)隨著血管疾病發(fā)病、交通事故、戰(zhàn)爭沖突等因素增多還在不斷增加[2]。

在過去，截肢意味著一個(gè)人健康前半生的終結(jié)和痛苦的后半生開始。人造假肢的出現(xiàn)有效地改善了這一局面，使得使用者能夠擁有新的肢體，保持身體的完整性。目前已知最早的假肢是一個(gè)由皮革和木頭做成的腳趾頭。中世紀(jì)時(shí)期，人們開始使用木制的腿或鉤子來覆蓋失去的肢體制成“釘腿”和“鉤手”[3]。之后，銅、鐵、橡膠等材料也被使用，并出現(xiàn)被動運(yùn)動的假手指。進(jìn)入2000年后，具有主動控制的高性能的假肢逐步興起。

對于使用者而言，假肢成為另一種新的日常。使用者接受肢體殘缺的事實(shí)，在安裝假肢后進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，以便之后可以開始獨(dú)立生活。在過去幾十年里，假肢技術(shù)得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)主動抓握和操作等多種任務(wù)[4]。在不少提供假肢服務(wù)的公司的宣傳片里，人們能夠看到，許多假肢幫助殘疾人生活上更加便捷、舒適與方便，如使用者在假肢的幫助下能夠自己拿起水杯喝水、撿起地上的東西等。但是，盡管如此，很多諸如刷牙、洗澡等日常需求目前仍需依靠他人和其他輔助設(shè)備。此外，使用者在社交上仍遭遇諸多尷尬，諸如握手、擁抱等，大部分正常人會顯得謹(jǐn)慎小心，不愿意與之進(jìn)行交互。

這些殘疾者所遇到的困境和尷尬，顯示出人造假肢仍存在巨大的發(fā)展空間以及假肢服務(wù)面臨的發(fā)展阻力?？茖W(xué)界和工程界一直在致力于假肢的研究工作，最大限度地提升假肢的功能，誠然，人手與肢體的復(fù)雜性決定了這是一項(xiàng)巨大的工程。研究假肢不僅要解決其結(jié)構(gòu)與運(yùn)動問題，填補(bǔ)復(fù)雜肌肉系統(tǒng)的空白，還要融合人體極度敏感的神經(jīng)系統(tǒng)，使之最終成為身體的一部分。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

主流觀點(diǎn)[5]認(rèn)為，人的手部有27個(gè)自由度，包括手腕有6個(gè)自由度、5個(gè)靈活手指的21個(gè)自由度（拇指5個(gè)，其余手指各4個(gè)）。人手能實(shí)現(xiàn)抓、拿、捏和提等多種操作方式，離不開手掌的結(jié)構(gòu)。人的手掌由5塊掌骨組成，每一塊掌骨與相應(yīng)的腕骨一起形成一個(gè)腕掌關(guān)節(jié)[6]。通過結(jié)合彎曲均勻旋轉(zhuǎn)，腕掌關(guān)節(jié)允許手掌形成一個(gè)拱形，從而提供一個(gè)球體包圍。盡管腕掌關(guān)節(jié)中的角度運(yùn)動很小，但它們的微小變化會產(chǎn)生相當(dāng)大的手指位移。

在假肢的設(shè)計(jì)上，相關(guān)研究關(guān)注靈巧手的設(shè)計(jì)工作而忽略手弓功能[7]。通常，為了能夠進(jìn)行抓取，假肢需要設(shè)計(jì)一個(gè)拇指和若干手指元件[8]。這些手指通常是多關(guān)節(jié)的，并且能單獨(dú)運(yùn)動，以便更好地模仿人手[9]。然而，人手的關(guān)節(jié)本質(zhì)上是一個(gè)轉(zhuǎn)動和滑動同時(shí)發(fā)生的部位，直接采用鉸鏈連接的方式勢必會造成運(yùn)動的偏差而影響后續(xù)的人機(jī)控制工作[10]。人造關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要想復(fù)刻真正人手的運(yùn)動無疑是困難的，有的研究雖然通過巧妙設(shè)計(jì)柔順鉸鏈的方式達(dá)成了目標(biāo)，但使用壽命等問題有待進(jìn)一步改善[11]。

2 驅(qū)動集成

通常來說，假體是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的是在功能上取代缺失的肢體，并與被截肢者融為一體。在假肢的設(shè)計(jì)上，既需要大的力或扭矩輸出，又要兼顧尺寸大小和重量。人手借助肌肉的協(xié)作完成輕量化和高力量的輸出，想要制造抓握力超過500N，而大小不超過人手解剖尺寸，重量在400g左右的假肢的目標(biāo)仍遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)[12]。

目前電機(jī)仍是大部分假肢的最主要的驅(qū)動元件[13]。假肢使用電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動力，通過傳動裝置傳遞到輸出位置，實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動。電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是成熟、穩(wěn)定、較為可靠，缺點(diǎn)是功率比較小，整體比較笨重，能量轉(zhuǎn)化效率較低。近年來，隨著軟體機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型的驅(qū)動方式如氣動驅(qū)動器[14-15]、形狀記憶合金[16-17]等開始大量被運(yùn)用，這些軟體驅(qū)動器依賴材料應(yīng)激性產(chǎn)生力和位移的輸出，盡管輕質(zhì)高效，但也面臨著控制困難的問題。此外，由于不同驅(qū)動方式各具特色，同時(shí)融合剛性電機(jī)和軟體驅(qū)動器的假肢驅(qū)動技術(shù)也備受關(guān)注[18]。

從減少執(zhí)行器的數(shù)量、降低電子設(shè)備的復(fù)雜性的角度出發(fā)，許多研究采用欠驅(qū)動機(jī)制來實(shí)現(xiàn)假肢的運(yùn)動[19]，在實(shí)際使用中采用差動裝置、柔順機(jī)構(gòu)和自鎖機(jī)構(gòu)來完成。欠驅(qū)動機(jī)制的引入增加了假肢的自適應(yīng)性，減少了其對單個(gè)關(guān)節(jié)控制的需求，改善了假肢的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3 操控技術(shù)

人類進(jìn)化出了專門的手和復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，使人們能夠熟練地使用多種工具。然而研究一套匹配假肢的操控技術(shù)絕非易事，理想的操控方式應(yīng)該具有很少的干預(yù)且功能齊全，以便為用戶提供便利和自然的靈活性。

目前，肌電是假肢最常用的控制方式[20]。肌電信號是人體肌肉在收到運(yùn)動指令和執(zhí)行動作的過程中，在皮膚表面產(chǎn)生微弱的電信號，通過搜集截肢者殘余肢體中的肌電信號用于假肢的操作。然而，肌電信號過于復(fù)雜，往往需要進(jìn)行處理才能發(fā)揮作用[21]。

這些分類識別方法包括線性判別分析、支持向量機(jī)[22]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[23]等。大量研究表明，分類器的選擇和特征信號的選取對假肢的操控技術(shù)非常重要，這也使得無需特征信息的深度學(xué)習(xí)方法近些年備受關(guān)注[24]。

肌電信號的控制方式面臨幾個(gè)難題。如高位截肢導(dǎo)致的剩余肌肉過少，這意味著肌電信號能提供的信息更少，而要控制的假肢自由度更高，從而引發(fā)控制維度問題。其次，電信號的獲取需要電極，而這些電極需要一個(gè)穩(wěn)定的界面。表面電極[25]直接貼在皮膚表面，但位置變動影響控制精度；植入型電極由外科醫(yī)生放入特點(diǎn)位置相對固定，但需要植入手術(shù)，很不方便。無論是植入型的電極還是表面電極，肌電信號混雜在一起，又極易受到外部電磁干擾和其他生物電位噪聲源的干擾[26]。

此外，一些利用肌肉機(jī)械變化的控制方式也得到關(guān)注。雖然不可能檢測某些肌肉群的局部和精確變化，但包裹在前臂上的導(dǎo)電、可拉伸橡膠繩等傳感器成功地感應(yīng)到、檢測到分布在手臂整個(gè)圓周上的肌肉體積增量[27]。一項(xiàng)研究表明[28]，利用力敏電阻檢測因肌肉收縮引起壓力變化的方式，顯示出更高的整體穩(wěn)定性，手勢信號的方差低于肌電圖。

4 感知融合

人手能夠感受不同物體質(zhì)感離不開表皮的觸覺傳感。人類皮膚中的觸覺傳感器是一種特殊的傳感器[29]，它可以檢測振動、力、剪切、溫度和疼痛，幫助我們在操作等活動中與周圍環(huán)境進(jìn)行互動。這些感知由多種機(jī)械感受器負(fù)責(zé)，最終感覺信息流向大腦并在那里形成感知。人體手部的機(jī)械感受器密度高，截肢意味著失去數(shù)千個(gè)機(jī)械感受器[30]，假肢的加入只給用戶留下視覺輸入、假肢發(fā)出的聲音和殘肢的感覺。對于假肢來說，提供適當(dāng)?shù)母杏X反饋是非常必要的，它不僅可以幫助使用者適應(yīng)和使用假肢，還可以有效改善運(yùn)動控制，減少視覺干預(yù)[31]。

在假手中，外部感知傳感器用于測量與物體和環(huán)境交互過程中的數(shù)據(jù)[32]。根據(jù)使用的傳感技術(shù)，可以檢測法向力或切向力、振動、點(diǎn)接觸和溫度。理想的傳感器應(yīng)該滿足低滯后、魯棒性和寬動態(tài)范圍等標(biāo)準(zhǔn)，以便安裝到假體中能夠使用[33]。

目前假手中最常用的傳感器包括力敏電阻器、壓電傳感器和電容傳感器等。電容傳感器具有良好的頻率響應(yīng)、空間分辨率和較寬的動態(tài)范圍，通過傳感器板之間的距離變化或傳感器有效面積變化來檢測切向力和法向力，但缺點(diǎn)是無法區(qū)分兩者。壓電傳感器具有非常高的頻率響應(yīng)，在檢測滑動表現(xiàn)很好，但缺點(diǎn)是只能測量動態(tài)力，且空間分辨率較差。力敏電阻器便宜、簡單、靈敏度高，常用于檢測接觸力，但重復(fù)性差、遲滯大、頻率響應(yīng)差。近年來，出于對傳感器柔順性的需求，可以大范圍貼合彎曲表面區(qū)域的傳感皮膚技術(shù)正在被關(guān)注[34]。

盡管研究人員已經(jīng)探索和開發(fā)了不同種類的傳感器來記錄不同感覺，但增加傳感器會導(dǎo)致假肢的制造成本增加、集成難度增大，當(dāng)然傳感反饋使假肢在交互過程中更加舒適且具有處理易碎物體的能力。

5 使用體驗(yàn)

假肢在設(shè)計(jì)上考慮了很多實(shí)用功能，使得使用者能夠通過假肢讓生活更加方便，但是，當(dāng)前技術(shù)差距導(dǎo)致部分假肢運(yùn)動的靈活性差、延時(shí)高，這讓使用者產(chǎn)生許多負(fù)面情緒。

除去技術(shù)問題，有調(diào)查顯示，超過半數(shù)的截肢患者不愿接受假肢服務(wù)[35]。一方面，假肢服務(wù)的價(jià)格較貴[36]，另一方面，使用者的特殊訴求得不到設(shè)計(jì)師的關(guān)注。研究建議，假肢設(shè)計(jì)工作應(yīng)該更多地讓使用者參與進(jìn)來，而不是由研究人員主導(dǎo)[37]。

人造假肢需要被使用者所接受，其設(shè)計(jì)考慮的因素不僅僅只有實(shí)用功能，穿戴的舒適性也是一個(gè)重要的方面。其中，假肢和殘肢的裝配融合無疑是最關(guān)鍵的一環(huán)[38]。如果殘肢與假肢插座之間的配合過松，會減少殘肢與插座之間的接觸面積，導(dǎo)致壓力增大，穿戴疼痛；同時(shí)，過松的配合增加殘肢皮膚與插座之間的凹槽，汗液會聚集并引發(fā)瘙癢性皮疹，進(jìn)一步導(dǎo)致皮膚破裂[39]；與之相反，如果殘肢與假肢插座之間的配合過緊，接觸面的內(nèi)應(yīng)力會增加，長時(shí)間使用會導(dǎo)致結(jié)合處皮膚破裂。

假肢插座的制作從捕獲殘肢的幾何結(jié)構(gòu)開始，創(chuàng)建殘肢的精確模型以實(shí)現(xiàn)良好的插座配合，然后對殘肢模型進(jìn)行修改，向骨突起和潛在壓力點(diǎn)添加體積，并從承重區(qū)域移除體積，最后對最終的修正進(jìn)行制造[40]。

另外的使用體驗(yàn)體現(xiàn)在外觀和交互問題上。一項(xiàng)關(guān)于人機(jī)交互的研究表明[41]，與栩栩如生的機(jī)器人反復(fù)交互，似乎會減少人們對機(jī)器人的感覺，假肢使用者通常也會表達(dá)出對逼真仿生假肢的偏好。然而，也有實(shí)證報(bào)告指出，交互者認(rèn)為仿生假手比機(jī)械手更怪異[42]，這或許應(yīng)證了神秘谷效應(yīng)所描述的“當(dāng)看到一幅接近人類的圖像時(shí)產(chǎn)生的不安感”，畢竟交互者對假肢的熟悉程度和接受情況遠(yuǎn)低于使用者。此外，諸多交互上的功能，如保持假肢體溫、避免操作時(shí)傷害他人、避免造成二次傷害等問題也備受各方關(guān)注[43]。

6 總結(jié)和討論

不管是什么原因，失去肢體從來都不是一件容易的事，無論是精神上還是身體上，截肢都會對一個(gè)人產(chǎn)生負(fù)面影響，并不可避免地改變一個(gè)人的生活，以及其所愛的人的生活。對殘肢人而言，雖然絕非易事，但截肢后的生活仍需回歸新的常態(tài)。所以，假肢服務(wù)的主要目標(biāo)是讓使用者能夠獨(dú)立生活，盡管這項(xiàng)技術(shù)目前還不夠先進(jìn)，仍依賴輔助器械或他人幫助，但科學(xué)界和工程界十分關(guān)注假肢方面的技術(shù)攻關(guān)。

本文回顧了人造假肢領(lǐng)域的相關(guān)研究，總結(jié)了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動集成、操控技術(shù)和使用體驗(yàn)的研究現(xiàn)狀和相關(guān)難題。不容置疑，人手在感知環(huán)境、操作工具和社交活動上扮演了重要角色，讓人造假肢最終取代人手成為截肢者的一部分，仍是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。