科幻動作片《艾莉塔：戰鬥天使》中，26世紀的女主在垃圾場被發現並改造為機械身體，重獲新生後戰鬥力驚人。
而在21世紀的現實世界，遭遇意外不得已截肢的患者安裝義肢繼續生活、工作的例子也的確存在。
近日，有這樣一款全新的仿生手問世，它仿照了人手的關鍵特性，可使患者恢復90%以上功能，仿生手在複雜性、靈活性和適應性方面有了新突破。
可以使用剪刀和噴壺。
也能準確完成抓取-放置任務。
登上《科學-機器人》封面
這種仿生手被稱為Hannes，由來自義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所INAIL義肢中心的科學家團隊研製。
2020年9月23日，研究團隊的論文發表於《科學-機器人》（Science Robotics），題為The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand（Hannes手複製了人手的關鍵生物特性）。
值得一提的是，這篇論文也登上了最新一期《科學-機器人》雜誌封面，看上去科技感十足。
論文介紹，要想把一款義肢做到和人手能力一致、效率相當的地步，並非易事。
正如研究團隊所說：「義肢仍然只是一種工具，無法代替患者失去的那一部分所提供的生理功能。」
一直以來，科學家們設計義肢裝置，主要參考的關鍵因素有這樣幾種：
- 包括運動學、尺寸、重量和外觀在內的「擬人」特徵；
- 速度、力量和靈活性等性能；
- 穩定、有協調性的的抓握能力。
而現實是，即便是由患者殘肢肌肉的電訊號控制的、具有好幾個靈活自由度的最為先進的義肢，也無法達到人手的複雜性、靈活性和適應性。由於性能不佳，義肢廢棄率居高不下。
因此，研究團隊希望打造一款出更趨近於人手特徵的設備，實際上一些科學團隊曾提出主張，認為可以在上述關鍵因素中做取捨、進行權衡，但義大利理工學院和義大利國家工傷保險研究所INAIL義肢中心的研究團隊的看法是：任何特性都不該忽略，應該遵循一種不妥協的整體設計方法。
以這種設計理念為指導，仿生手Hannes在科研人員、患者、整形外科醫生和工業設計師的共同努力下問世，其設計理念還被授予了義大利Compasso dOro國際工業設計獎。
高度「擬人化」的Hannes
來具體看看仿生手Hannes有哪些特別之處。
Hannes由三大主要的交互組件組成：
- 一個肌電多關節義肢，採用了基於差動機構的欠驅動結構；
- 被動屈伸（F/E）手腕模塊；
- 肌電接口/控制器，包括兩個表面肌電（sEMG）感測器、電池組和控制電子元件。
可以參考下面這張酷酷的圖示：A部分展示的是，直流電機和電機控制板內嵌於Hannes中，而肌電接口/控制器則位於插座內，而F / E手腕位於二者之間；B部分是帶上手套的Hannes 。
這裡值得一提的是，用於Hannes供電的電池組續航長達一整天。當不使用Hannes時，用戶可以利用磁性插頭連接器為電池充電。控制器可以向手發送隨肌肉啟動比例增加的速度參考，因此這套設備可以針對不同患者調整控制參數，實現對每位患者精確的運動和力量輔助。
Hannes手掌和手指部分的尺寸如下，研究團隊拿它和人手中位數數據（虛線水平）進行了比較。
可以看出，Hannes顯示出了極高的「擬人化」，與人手最大的差異體現在中指，差值為4.8%。
Hannes除遠端指間關節（DIP）之外的所有手指自由度都被實現；拇指表現出了不同的運動學特性，例如指間關節（IP）和 MCP關節是鎖定的、向外展開是受驅動的、旋轉是被動的。
如下圖A所示，患者可通過適當調節肌電EMG活動來調節力的增加與減小，當施加強烈的EMG啟動時，Hannes可在0.25秒內迅速閉合，力量最大為150 N。B圖表明，Hannes可在不到1秒的時間內，完成完全閉合。
為進一步評估Hannes的有效性、可用性，三位患者參與了為期大約2 週的試驗，其中＃1和＃2參與者通過Hannes的輔助，有較好的表現，執行任務所需時間分別減少了約10％和30％。也就是說，Hannes已經達到了完成日常生活活動（ADLs）的要求。
從實驗室步入市場
研究團隊表示，過去十年中，科學家們一直試圖設計功能和物理特性接近人手的義肢設備。其中，3D 掃描對側肢體和「累積製造技術」（additive manufacturing techniques），都是一些較為新穎的設計方法。
在研究團隊看來，在眾多設備中，最為成功的落地產品分別是：
美國、德國科學家聯合設計的「米開朗基羅之手」，2013 年開始有患者安裝這種設備。
成立於1919年的德國假肢巨頭Ottobock設計的設備。
一家英國公司2007年首次推出的i-Limb仿生手，也是世界第一個商業化仿生手。
說回仿生手Hannes，目前它已獲CE標誌，也將進入醫療市場。研究團隊正在尋找投資人，希望開始量產這種仿生手，造福更多患者。
但需要明確的是，雖然和實驗室或市面上的一些義肢比起來，Hannes的性能有不小的提升，但無疑它做出動作的速度仍然低於人手，仿生手仍有很大的提升空間。
本文為雷鋒網授權刊登，原文標題為「「不妥協」的仿生手登上《科學-機器人》封面！外觀高度類似人手，續航一整天」