BrainRobotics智能仿生手

李叶

看点

非侵入式脑机接口技术 刚柔耦合欠驱动设计 意图识别算法

BrainRobotics智能仿生手，是一款融合脑机接口技术与人工智能算法的高科技康复辅具，通过采集、处理人体神经肌肉活动产生的肌电神经电信号来辨识操控者的运动意图，从而实现仿生手的直观控制。为了实现更高的仿生性，BrainRobotics智能仿生手不满足于传统假手的单纯外观仿生，而是在外观结构、运动感知、直观控制等方面实现了全面仿生，从而模拟人手的仿生神经肌肉控制通路，构建使用者大脑与手指运动间的直接联系。

人手的自然运动非常复杂，因此，为肢残用户提供功能完善的智能仿生手成为了世界难题。

BrainRobotics智能仿生手正是在这样的背景下打造的：传统的美容或功能假肢提供的功能十分有限，并且传统的功能假肢需要通过物理按键或摇晃假肢才能实现简单的预定义手势切换。与之相比，性价比更高的BrainRobotics智能仿生手融合了人工智能算法和脑机接口技术，更加灵活方便。

这种新的功能基于神经肌肉信息感应装置，通过捕获来自用户残留肢体的神经肌肉活动信号，然后将其转化为自然直觉的运动。因此，BrainRobotics智能仿生手能够识别用户试图控制幻肢动作时的运动意图，并将其转化为仿生手的动作，从而达成直观的控制感。通过录入用户试图控制仿生手时的神经肌肉活动信息，机器学习算法便能掌握用户的神经肌肉活动特点，生成个性化的模型。

2016年6月，由韩璧丞组织、哈佛MIT科学家主导的脑机接口项目“BrainRobotics”，获得了 MassChallenge金奖。2019年1月，Br ainRob otic s智能仿生手获2019年CE S创新发明奖。2019年1 2月，BrainRobotics智能仿生手被《时代》杂志评为年度百大最佳发明，并成为第一款登上《时代》周刊封面的智能仿生手。2020年5月，BrainRobotics智能仿生手获得德国红点奖最佳设计奖（Red Dot：Best of the Best）。在2022北京冬残奥会上，BrainRobotics智能仿生手成功助力了残疾火炬手传递圣火，相关话题还登上了微博热搜，引发网友的广泛关注。

《设计》BrainRobotics智能仿生手研发设计团队

《设计》：是什么契机促使BrainCo研发BrainRobotics智能仿生手这款产品？

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：我们曾经有一位来自MIT的同事因学校实验事故失去了右手，鉴于当时团队已经在底层的脑机接口技术上有了一定的积累，所以就希望为他做一只可以随心而动的“手”。

当我们开始详细调研残疾人和辅具市场时，我们发现世界上存在这样一个非常大的群体，他们因為先天或后天的原因失去了手，这令他们生活不便。当时没有一款义肢能够满足他们补偿手部功能的需求。那些义肢不是功能特别简单，做简单的开合动作，就是操作特别复杂，使用者需要很长时间的学习才能掌握。就像操控复杂的机器，而且操控体验很差。这导致许多义肢在购买之后短时间内就被弃用。在参加美国CES展会的时候，我们也看到了许多这样的残障人士，他们对一款灵巧的智能假肢有很强烈的需求。所以我们团队就萌生了做一款通过用户意图控制的灵巧假手的想法，然后智能仿生手项目就成立了。

《设计》：在研发初期的调研中团队发现了哪些用户需求和痛点？

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：最主要的痛点是如何控制一款功能复杂的仿生手。传统的假肢产品通过开关切换控制，操控假肢就像操控复杂的机械一样，需要学习和记忆切换这些开关的顺序，比如动两下肌肉是控制假手开合，动三下肌肉是控制食指张开等，学习时间长且操控体验差。对于一些有操控速度要求的操作，比如弹琴、打字等，传统的假肢产品完全无法胜任。

另一大痛点是拇指。据医学统计，丧失拇指功能的手将丧失40%的手部功能，因此对拇指的功能要求相较其他手指更高。而拇指功能的实现很重要的一点在于拇指的展收功能，即让拇指分别处于手掌的侧面和手掌的正对面，这对于像捏卡片、握笔、使用筷子和握水杯、握扶手这种不同类型的动作转变是非常有意义的。但是传统的上肢假肢要么不具备拇指展收功能，要么只能用另一只健全的手来掰动拇指实现展收，严重影响了拇指的功能，也影响了整只手的功能。

《设计》：据介绍，BrainRobotics智能仿生手是第一款结合了脑机接口技术和人工智能算法、可以实现每根手指独立运动的量产仿生手，请介绍一下非侵入式脑机接口技术及其在BrainRobotics智能仿生手中的应用。

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：“非侵入式脑机接口技术”是一个复合名词，由“非侵入式”和“脑机接口技术”两部分组成。其中“脑机接口技术”是一种新型人机交互技术，它试图建立起大脑与机器之间的直接联系，让人们可以用自己的想法直接控制机器，而不需要语言、文字、键盘、鼠标或是手柄之类的辅助方法。

“非侵入式”描述了这种方法的实现手段，并不用做开颅手术，而是通过采集人体皮肤表面的生物信号，来解析出大脑的状态，甚至可以在未来解析出意识和想法，从而实现对机器的控制。这种方法不入侵人体，所以称为“非侵入式”方法。所以相对风险较低，使用者容易接受，相关产品也更容易推广。但是这种方法是隔着皮肤了解人体内部情况，信息传递路径长，所以在信息传递过程中存在信息衰减、噪声混叠的问题。为了克服这些难题，非侵入式脑机接口在实现的过程中，要着重研究人机界面材料、信号采集放大、意图识别算法等。

具体到BrainRobotics智能仿生手，我们需要利用非侵入式脑机接口技术获得使用者的运动意图;设计刚柔结合的感应电极，实现皮肤表面肌电神经电信号的稳定可靠采集;设计相应信号采集放大电路，对采集到的信号进行处理;并设计运动意图识别算法，对使用者想要控制仿生手手指动作的想法进行辨识。

《设计》：请介绍下BrainRobotics智能仿生手研发团队的构成及分工。

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：我们的团队是由一群毕业于海内外顶尖高校的硕士、博士、博士后，资深工程师，以及若干名假肢体验官组成的。这一群人夜以继日地在一起共同打磨产品，才有了这样一款兼具实用性与设计感，又能在商业模式上有突破，让残疾人花更少的钱就可以用上的智能产品。

《设计》：BrainRobotics智能仿生手从概念到原型用了多長时间？最具挑战性的阶段在哪个部分？团队是如何攻克的？从概念产生至今，产品经过了多少次迭代？

Brain Robotic s智能仿生手研发设计团队：BrainRobotic s智能仿生手从概念到原型用了5 年的时间，在每个阶段都有挑战性难题。其中最有挑战性的，也是大家最容易看到的，那就是如何采用非侵入式脑机接口技术实现运动意图的识别。这涉及到一系列工作，包括如何设计电极以获得稳定可靠的信号，如何让算法能够从信号中捕捉到运动意图对应的典型特征。为了克服这些难题，团队跨专业精诚协作，反复迭代。从概念产生至今，产品经历了5次大的整体迭代，在这些大的整体迭代之外，还伴随着无数次小的局部迭代。比如产品构成的一小部分的采样电极，它的电极材料的配方和结构设计就经历了上千次迭代。

《设计》：随着社会文明程度的提高，弱势群体日益受到关注，智能义肢产品的开发也渐多。BrainRobotics智能仿生手有哪些领先行业的创新设计、技术或专利？

Brain Robotics智能仿生手研发设计团队：Brain Robotics智能仿生手开创性地提出基于脑机接口技术的独家商用仿生手智能交互系统。基于脑机接口技术，采用8枚非侵入式生物电感应电极，检测使用者皮下肌电神经电信号，能精细识别使用者每根手指的运动意图，用户像控制自己的手一样，精确地控制5 根手指的运动做出无限多的手势。同时，我们为其申请了相关专利。

团队通过分析人手运动谱，仿照人手肌骨结构，采用刚柔耦合欠驱动设计，在该驱动构型的基础上，加入6套位置、电流传感器和2套姿态、加速度传感器，可实现仿人抓取运动轨迹，以及对抓取力的自适应调节，从而实现仿人的抓取操作感知过程。

此外，团队也独家提出非侵入式脑机接口适配关键期理论，突破传统假肢的适配理论，解决了仿生手弃用难题。传统假肢手接受腔采用石膏成型工艺，匹配度不够高，佩戴不够舒适，加之传统商用假肢手操控困难，导致传统商用假肢手弃用率高，造成资源浪费。团队采用3D扫描-打印工艺进行仿生手的快速适配，通过积极康复训练，提升该仿生手日常生活的实用性和使用者对仿生手的接纳程度，从而降低仿生手弃用率。

《设计》：在仿生手的产品介绍中提到BrainRobotics智能仿生手的“性价比更高”，目前BrainRobotics智能仿生手的价格是一个什么水平？公司如何有效控制其造价？

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：国际上同类型的智能假肢手的价格在50万到70万之间。BrainRobotics智能仿生手通过国产化替代、模块化生产制造、集成产品开发等手段控制造价，成功将价格压缩为同类型产品的五分之一到七分之一。

《设计》：设计一件康复辅具产品会面临来自市场以及行业规章等哪些方面的挑战？

Brain Robotics智能仿生手研发设计团队：市场方面主要是购买的人群经济水平大多数较低，所以需要做到功能与价格的平衡，并通过与残联、慈善基金合作的方式降低用户的购买成本。在行业规章方面，团队需要学习贯彻康复辅具相关产品及服务的国家及行业标准。

《设计》：针对BrainRobotics智能仿生手的性能和设计，团队还将进行哪些方面的优化和改良？

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：下一代智能仿生手会针对外观和重量进行优化，做到外观更逼真、穿戴更舒适。更重要的是，下一代智能仿生手会加入感觉反馈功能，让佩戴仿生手的用户朋友能够通过仿生手感受到世界的纹理和温度。

《设计》：基于Brain Robotics智能仿生手的设计与技术，BrainCo还将深耕/拓展研发哪些脑机接口与人工智能算法相结合的产品？

BrainRobotics智能仿生手研发设计团队：非常多。产品包括神经功能障碍相关的疾病或不适，如孤独症、老年痴呆、睡眠障碍、抑郁症等;运动功能障碍相关的中风康复等;以及面向普通人的身心状态调节，如正念舒压。