人造假肢的技术概况和未来发展

刘 畅

(武昌工学院，武汉，430065)

0 引言

人类的四肢尤其人手是人类能够完成抓取、移动、抛开、捡起等运动的基础，不论从力量的把控和精确的程度，人造假肢都很难复现这些伟大的艺术品。人们从来都不希望有一天会失去肢体，但断肢、截肢的事件却没有消失，不少人在事故中失去部分肢体，导致生活和工作发生了巨大变故。据世界健康组织估计，全球大约有4000万人需要假肢服务[1]，这一数据随着血管疾病发病、交通事故、战争冲突等因素增多还在不断增加[2]。

在过去，截肢意味着一个人健康前半生的终结和痛苦的后半生开始。人造假肢的出现有效地改善了这一局面，使得使用者能够拥有新的肢体，保持身体的完整性。目前已知最早的假肢是一个由皮革和木头做成的脚趾头。中世纪时期，人们开始使用木制的腿或钩子来覆盖失去的肢体制成“钉腿”和“钩手”[3]。之后，铜、铁、橡胶等材料也被使用，并出现被动运动的假手指。进入2000年后，具有主动控制的高性能的假肢逐步兴起。

对于使用者而言，假肢成为另一种新的日常。使用者接受肢体残缺的事实，在安装假肢后进行康复训练，以便之后可以开始独立生活。在过去几十年里，假肢技术得到迅猛发展，已经能够实现主动抓握和操作等多种任务[4]。在不少提供假肢服务的公司的宣传片里，人们能够看到，许多假肢帮助残疾人生活上更加便捷、舒适与方便，如使用者在假肢的帮助下能够自己拿起水杯喝水、捡起地上的东西等。但是，尽管如此，很多诸如刷牙、洗澡等日常需求目前仍需依靠他人和其他辅助设备。此外，使用者在社交上仍遭遇诸多尴尬，诸如握手、拥抱等，大部分正常人会显得谨慎小心，不愿意与之进行交互。

这些残疾者所遇到的困境和尴尬，显示出人造假肢仍存在巨大的发展空间以及假肢服务面临的发展阻力。科学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，诚然，人手与肢体的复杂性决定了这是一项巨大的工程。研究假肢不仅要解决其结构与运动问题，填补复杂肌肉系统的空白，还要融合人体极度敏感的神经系统，使之最终成为身体的一部分。

1 机构设计

主流观点[5]认为，人的手部有27个自由度，包括手腕有6个自由度、5个灵活手指的21个自由度（拇指5个，其余手指各4个）。人手能实现抓、拿、捏和提等多种操作方式，离不开手掌的结构。人的手掌由5块掌骨组成，每一块掌骨与相应的腕骨一起形成一个腕掌关节[6]。通过结合弯曲均匀旋转，腕掌关节允许手掌形成一个拱形，从而提供一个球体包围。尽管腕掌关节中的角度运动很小，但它们的微小变化会产生相当大的手指位移。

在假肢的设计上，相关研究关注灵巧手的设计工作而忽略手弓功能[7]。通常，为了能够进行抓取，假肢需要设计一个拇指和若干手指元件[8]。这些手指通常是多关节的，并且能单独运动，以便更好地模仿人手[9]。然而，人手的关节本质上是一个转动和滑动同时发生的部位，直接采用铰链连接的方式势必会造成运动的偏差而影响后续的人机控制工作[10]。人造关节的设计要想复刻真正人手的运动无疑是困难的，有的研究虽然通过巧妙设计柔顺铰链的方式达成了目标，但使用寿命等问题有待进一步改善[11]。

2 驱动集成

通常来说，假体是一个机电一体化系统，其设计目的是在功能上取代缺失的肢体，并与被截肢者融为一体。在假肢的设计上，既需要大的力或扭矩输出，又要兼顾尺寸大小和重量。人手借助肌肉的协作完成轻量化和高力量的输出，想要制造抓握力超过500N，而大小不超过人手解剖尺寸，重量在400g左右的假肢的目标仍远未实现[12]。

目前电机仍是大部分假肢的最主要的驱动元件[13]。假肢使用电机产生的旋转动力，通过传动装置传递到输出位置，实现所需运动。电机驱动的优点是成熟、稳定、较为可靠，缺点是功率比较小，整体比较笨重，能量转化效率较低。近年来，随着软体机器人技术的迅猛发展，新型的驱动方式如气动驱动器[14-15]、形状记忆合金[16-17]等开始大量被运用，这些软体驱动器依赖材料应激性产生力和位移的输出，尽管轻质高效，但也面临着控制困难的问题。此外，由于不同驱动方式各具特色，同时融合刚性电机和软体驱动器的假肢驱动技术也备受关注[18]。

从减少执行器的数量、降低电子设备的复杂性的角度出发，许多研究采用欠驱动机制来实现假肢的运动[19]，在实际使用中采用差动装置、柔顺机构和自锁机构来完成。欠驱动机制的引入增加了假肢的自适应性，减少了其对单个关节控制的需求，改善了假肢的可靠性和经济性。

3 操控技术

人类进化出了专门的手和复杂的神经系统，使人们能够熟练地使用多种工具。然而研究一套匹配假肢的操控技术绝非易事，理想的操控方式应该具有很少的干预且功能齐全，以便为用户提供便利和自然的灵活性。

目前，肌电是假肢最常用的控制方式[20]。肌电信号是人体肌肉在收到运动指令和执行动作的过程中，在皮肤表面产生微弱的电信号，通过搜集截肢者残余肢体中的肌电信号用于假肢的操作。然而，肌电信号过于复杂，往往需要进行处理才能发挥作用[21]。

这些分类识别方法包括线性判别分析、支持向量机[22]和神经网络[23]等。大量研究表明，分类器的选择和特征信号的选取对假肢的操控技术非常重要，这也使得无需特征信息的深度学习方法近些年备受关注[24]。

肌电信号的控制方式面临几个难题。如高位截肢导致的剩余肌肉过少，这意味着肌电信号能提供的信息更少，而要控制的假肢自由度更高，从而引发控制维度问题。其次，电信号的获取需要电极，而这些电极需要一个稳定的界面。表面电极[25]直接贴在皮肤表面，但位置变动影响控制精度；植入型电极由外科医生放入特点位置相对固定，但需要植入手术，很不方便。无论是植入型的电极还是表面电极，肌电信号混杂在一起，又极易受到外部电磁干扰和其他生物电位噪声源的干扰[26]。

此外，一些利用肌肉机械变化的控制方式也得到关注。虽然不可能检测某些肌肉群的局部和精确变化，但包裹在前臂上的导电、可拉伸橡胶绳等传感器成功地感应到、检测到分布在手臂整个圆周上的肌肉体积增量[27]。一项研究表明[28]，利用力敏电阻检测因肌肉收缩引起压力变化的方式，显示出更高的整体稳定性，手势信号的方差低于肌电图。

4 感知融合

人手能够感受不同物体质感离不开表皮的触觉传感。人类皮肤中的触觉传感器是一种特殊的传感器[29]，它可以检测振动、力、剪切、温度和疼痛，帮助我们在操作等活动中与周围环境进行互动。这些感知由多种机械感受器负责，最终感觉信息流向大脑并在那里形成感知。人体手部的机械感受器密度高，截肢意味着失去数千个机械感受器[30]，假肢的加入只给用户留下视觉输入、假肢发出的声音和残肢的感觉。对于假肢来说，提供适当的感觉反馈是非常必要的，它不仅可以帮助使用者适应和使用假肢，还可以有效改善运动控制，减少视觉干预[31]。

在假手中，外部感知传感器用于测量与物体和环境交互过程中的数据[32]。根据使用的传感技术，可以检测法向力或切向力、振动、点接触和温度。理想的传感器应该满足低滞后、鲁棒性和宽动态范围等标准，以便安装到假体中能够使用[33]。

目前假手中最常用的传感器包括力敏电阻器、压电传感器和电容传感器等。电容传感器具有良好的频率响应、空间分辨率和较宽的动态范围，通过传感器板之间的距离变化或传感器有效面积变化来检测切向力和法向力，但缺点是无法区分两者。压电传感器具有非常高的频率响应，在检测滑动表现很好，但缺点是只能测量动态力，且空间分辨率较差。力敏电阻器便宜、简单、灵敏度高，常用于检测接触力，但重复性差、迟滞大、频率响应差。近年来，出于对传感器柔顺性的需求，可以大范围贴合弯曲表面区域的传感皮肤技术正在被关注[34]。

尽管研究人员已经探索和开发了不同种类的传感器来记录不同感觉，但增加传感器会导致假肢的制造成本增加、集成难度增大，当然传感反馈使假肢在交互过程中更加舒适且具有处理易碎物体的能力。

5 使用体验

假肢在设计上考虑了很多实用功能，使得使用者能够通过假肢让生活更加方便，但是，当前技术差距导致部分假肢运动的灵活性差、延时高，这让使用者产生许多负面情绪。

除去技术问题，有调查显示，超过半数的截肢患者不愿接受假肢服务[35]。一方面，假肢服务的价格较贵[36]，另一方面，使用者的特殊诉求得不到设计师的关注。研究建议，假肢设计工作应该更多地让使用者参与进来，而不是由研究人员主导[37]。

人造假肢需要被使用者所接受，其设计考虑的因素不仅仅只有实用功能，穿戴的舒适性也是一个重要的方面。其中，假肢和残肢的装配融合无疑是最关键的一环[38]。如果残肢与假肢插座之间的配合过松，会减少残肢与插座之间的接触面积，导致压力增大，穿戴疼痛；同时，过松的配合增加残肢皮肤与插座之间的凹槽，汗液会聚集并引发瘙痒性皮疹，进一步导致皮肤破裂[39]；与之相反，如果残肢与假肢插座之间的配合过紧，接触面的内应力会增加，长时间使用会导致结合处皮肤破裂。

假肢插座的制作从捕获残肢的几何结构开始，创建残肢的精确模型以实现良好的插座配合，然后对残肢模型进行修改，向骨突起和潜在压力点添加体积，并从承重区域移除体积，最后对最终的修正进行制造[40]。

另外的使用体验体现在外观和交互问题上。一项关于人机交互的研究表明[41]，与栩栩如生的机器人反复交互，似乎会减少人们对机器人的感觉，假肢使用者通常也会表达出对逼真仿生假肢的偏好。然而，也有实证报告指出，交互者认为仿生假手比机械手更怪异[42]，这或许应证了神秘谷效应所描述的“当看到一幅接近人类的图像时产生的不安感”，毕竟交互者对假肢的熟悉程度和接受情况远低于使用者。此外，诸多交互上的功能，如保持假肢体温、避免操作时伤害他人、避免造成二次伤害等问题也备受各方关注[43]。

6 总结和讨论

不管是什么原因，失去肢体从来都不是一件容易的事，无论是精神上还是身体上，截肢都会对一个人产生负面影响，并不可避免地改变一个人的生活，以及其所爱的人的生活。对残肢人而言，虽然绝非易事，但截肢后的生活仍需回归新的常态。所以，假肢服务的主要目标是让使用者能够独立生活，尽管这项技术目前还不够先进，仍依赖辅助器械或他人帮助，但科学界和工程界十分关注假肢方面的技术攻关。

本文回顾了人造假肢领域的相关研究，总结了机构设计、驱动集成、操控技术和使用体验的研究现状和相关难题。不容置疑，人手在感知环境、操作工具和社交活动上扮演了重要角色，让人造假肢最终取代人手成为截肢者的一部分，仍是一个极具挑战性的任务。