仿生機器手的發展和運用

BioArm是一個中等規模的綜合項目，同時它也是大學生創新計劃關于機械工程一塊的重要組成部分。我本人是這個項目的參與者之一，它的目標是研究出人類是如何通過操縱物體，用一只仿造人類的有關節的機械手去再生抓握物體的能力和它的運動能力，以此賦予它更強的獨立自然生產力，以及更有效的運動力?！俺俗非蠹夹g上的先進，有關各種學問研究的基礎方面也是目前我們工作內容所涉及到的。這樣一來我們可以給機械手系統提供先進的洞察力、高水準的信息掌控力以及智力的基本元件，這些可以使它識別出物體和行為的前后關系?！贝隧椖可虾Ｍ瑵髮W研究小組的首席研究員，以及系統工程與自動化系的教授是這樣對人們講解的。

在我看來，在視覺感知、電影技術和動力系統方面，而我們的團隊已經取得了非常不錯的成績。這些使系統能夠通過周遭環境識別出物體，并且將信息傳遞給機械手的規劃和運動系統。

研究人員正在調研的機械手主要是由大量機械化鋁和塑料的高精度切片組成，傳感器和運動系統也同樣如此。它總共有20個制動器可以做24次運動，就像人類的手一樣。它的大小和普通成年男子的手一樣，大約4公斤重。據一名項目合作伙伴人，同時也是負責制造生產機械手的工程師說，當前，在同濟大學小組開發的此版本的機械手，成本已高達9萬人民幣左右。

然而，在仿效人體上肢制造機械手的過程中，我們發現這一切出現了一些問題。

當我們嘗試用機器人系統去重新創造人體上肢的運動時，許多復雜的問題必須要得以解決。第一個問題是，缺少空間?！叭梭w的上肢是非常完整的，但如此有限的空間對我們而言卻是一種挑戰，因為我們要想盡辦法將所有必要的零件裝置進機械手中，并且還要考慮到機械手的移動性要與人體上肢的移動性相似，這就需要整合所有的制動器?！?/p>

第二個問題是，當前市場上并沒有體積足夠小的傳感器適合用來整合進裝置中，這樣一來就無法使裝置具有與人體上肢相似的敏感性，精確的運動就無法完成了。最后個問題是，盡管從機械和感知的角度上來說，研究人員可能會成功的制造出一個完美的機器人，但畢竟缺少了智力的元素，這種裝置既不能獨立地運行，也不能將運動和控制與物體的特性相適應，比如幾何結構，質地，重量，或者用途等等。

“你握住一把螺絲刀，把螺絲刀傳給別人，或者把螺絲刀收起來，跟你使用它，是完全不同的。因為當你使用它時，你需要在手里將它調整成到一個合適的使用位置。而這一位置，對于機械手而言，是由智力部分所決定的?！毖芯咳藛T說道?！耙恢粰C械手只有在科幻電影中才可以獨立執行這一表面上看來簡單的任務”。但是按照我的個人估計，建立一只與人體那樣精確、獨立而又靈敏的機械手，并且讓它可以執行這種復雜的任務，這一領域的研究大約需要15年左右，但是隨著工程學的不斷發展，時間也有可能一定的縮短。

在現有的基礎上，機械手最大的用途是用來幫助中風患者。由于中風患者手腳不便，去握放物體的時候運用機械手是其走向變化的最大一步。我們組織一些志愿者來參與研究，但是盡管受影響的手既不是完全的麻痹，也不是沒有感覺，每個參與者至少都有些中等殘留的弱處，而另外那只健全的手的功能也會被削弱。一名女士和兩名男士在參與初步研究并使用這類機械裝備之前，都經受了至少3個月的中風。

運作過程中，大多數自發的改進發生在中風之后的三個月內，之后便進入平穩期，機器人協助治療對于重組大腦神經系統有幫助，并且在很久以后可以使虛弱的肢體更好地移動。這一切遠遠超過了我們對其發展的原本預期。

先前，機械裝置已經提高了中風病人肩膀和大腿的移動功能。同濟大學機械工程教授楊潔說，這項研究是首次嘗試特別幫助提高肢體功能的研究之一。昨天在中國廈門的中風協會舉行的2011年度國際中風會議上，我們提供了協會所需要的的調研結果。

在中國UCI大學的研究人員改進之后，BIOARM能幫助病人握放普通的物體。這種機械裝置卷繞在手周圍，伴隨著一個電腦程序，可以通過物理治療程序來指導病人。BioARM使用者開創了手部運動，加上機器人的監督和協助行動，便可以達到預期的治療目標。

“BioARM療法并不樂觀，病人必須安裝這個程序并且開創發動指令。” 楊潔說道，“但是如果手部是十分虛弱的只能挪動0.1英寸，機器人幫助完成這個任務這樣大腦可以重新學習有可能發揮充分運動?！?/p>

在研究中，病人的平均年齡是63歲，每個病人都接受了15次2小時的治療期，共需要三周，旨在提高他們握放物體的能力。所有的BioARM治療共15個治療期。對于那三個病人來說，BioARM在整個治療期內幫助他們能夠完成完整的移動，而六名患者在得到了BioARM治療后，在第后半治療期內就已經完成了。

在三周療程末期，所有的病人都已經提高了他們握放物體的能力。動作調查手臂測試是測量完成現實生活中的任務的能力，比如握住一塊物體，拿起一只喝水的玻璃杯，拾起一小塊大理石或者是滾珠，已經把你的手放在頭上。而這些病人在動作調查手臂測試所取得的平均成績，已經提高了將近百分之十。箱子和塊狀的測試是評估手臂的靈巧度。它要求一個人在一分鐘之內將一邊箱子里的物塊搬移到另一個箱子里去。而這些病人在這個測試中的平均成績提高了將近百分之二十。

除此之外，病人在手和手腕的移動度上提高了百分之十七。傅格梅爾動作量表是標準的職業治療評估工具，病人在經過其測試和評估之后被列為輕度殘疾。

楊潔說道：“在評估了每個主題對照的測量分數之后，這些在三周療程之后所取得的成就實在是引人矚目。

同濟大學的團隊現在用他們在參與研究期間所學到的東西去創造了一個“BioARM之子”，改進了機械手的連接，并且提供了更多軟件可供選擇用于個別針對性治療，這些都吸引了許多病患的興趣。

在中國，中風是引起長期殘疾的一個主要的因素。每年的中風患者人數超過170萬。在農村，中風是第三大導致死亡的主要直接因素。比起其他的疾病來，中風會引起更加嚴重的長期殘疾。據神經疾病和中風的國家研究所所說，在中風患者中，將近四分之三的患者年齡超過65，而對于55歲以上的人來說，每過十年，便面臨著超過兩倍的患上中風的風險。

我們這個團隊加上一些輔導老師共同創作了這項研究，部分研究是由中國國家衛生部的制度培訓獎助金所資助的。

由BIOARM項目的合作伙伴所執行的研究，在視覺感知，運動規劃，新感應器，用人工智能技術習得運動技巧，等等方面，已經得出了非常有趣的結果。此外，將所有合作伙伴的研究結果整合進一個單體系統，這將是未來兩年的研究成果，同時這仍然是目前所面對的重要挑戰。