BrainRobotics智能仿生手

李葉

看點

非侵入式腦機接口技術 剛柔耦合欠驅動設計 意圖識別算法

BrainRobotics智能仿生手，是一款融合腦機接口技術與人工智能算法的高科技康復輔具，通過采集、處理人體神經肌肉活動產生的肌電神經電信號來辨識操控者的運動意圖，從而實現仿生手的直觀控制。為了實現更高的仿生性，BrainRobotics智能仿生手不滿足于傳統假手的單純外觀仿生，而是在外觀結構、運動感知、直觀控制等方面實現了全面仿生，從而模擬人手的仿生神經肌肉控制通路，構建使用者大腦與手指運動間的直接聯系。

人手的自然運動非常復雜，因此，為肢殘用戶提供功能完善的智能仿生手成為了世界難題。

BrainRobotics智能仿生手正是在這樣的背景下打造的：傳統的美容或功能假肢提供的功能十分有限，并且傳統的功能假肢需要通過物理按鍵或搖晃假肢才能實現簡單的預定義手勢切換。與之相比，性價比更高的BrainRobotics智能仿生手融合了人工智能算法和腦機接口技術，更加靈活方便。

這種新的功能基于神經肌肉信息感應裝置，通過捕獲來自用戶殘留肢體的神經肌肉活動信號，然后將其轉化為自然直覺的運動。因此，BrainRobotics智能仿生手能夠識別用戶試圖控制幻肢動作時的運動意圖，并將其轉化為仿生手的動作，從而達成直觀的控制感。通過錄入用戶試圖控制仿生手時的神經肌肉活動信息，機器學習算法便能掌握用戶的神經肌肉活動特點，生成個性化的模型。

2016年6月，由韓璧丞組織、哈佛MIT科學家主導的腦機接口項目“BrainRobotics”，獲得了 MassChallenge金獎。2019年1月，Br ainRob otic s智能仿生手獲2019年CE S創新發明獎。2019年1 2月，BrainRobotics智能仿生手被《時代》雜志評為年度百大最佳發明，并成為第一款登上《時代》周刊封面的智能仿生手。2020年5月，BrainRobotics智能仿生手獲得德國紅點獎最佳設計獎（Red Dot：Best of the Best）。在2022北京冬殘奧會上，BrainRobotics智能仿生手成功助力了殘疾火炬手傳遞圣火，相關話題還登上了微博熱搜，引發網友的廣泛關注。

《設計》BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊

《設計》：是什么契機促使BrainCo研發BrainRobotics智能仿生手這款產品？

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：我們曾經有一位來自MIT的同事因學校實驗事故失去了右手，鑒于當時團隊已經在底層的腦機接口技術上有了一定的積累，所以就希望為他做一只可以隨心而動的“手”。

當我們開始詳細調研殘疾人和輔具市場時，我們發現世界上存在這樣一個非常大的群體，他們因為先天或后天的原因失去了手，這令他們生活不便。當時沒有一款義肢能夠滿足他們補償手部功能的需求。那些義肢不是功能特別簡單，做簡單的開合動作，就是操作特別復雜，使用者需要很長時間的學習才能掌握。就像操控復雜的機器，而且操控體驗很差。這導致許多義肢在購買之后短時間內就被棄用。在參加美國CES展會的時候，我們也看到了許多這樣的殘障人士，他們對一款靈巧的智能假肢有很強烈的需求。所以我們團隊就萌生了做一款通過用戶意圖控制的靈巧假手的想法，然后智能仿生手項目就成立了。

《設計》：在研發初期的調研中團隊發現了哪些用戶需求和痛點？

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：最主要的痛點是如何控制一款功能復雜的仿生手。傳統的假肢產品通過開關切換控制，操控假肢就像操控復雜的機械一樣，需要學習和記憶切換這些開關的順序，比如動兩下肌肉是控制假手開合，動三下肌肉是控制食指張開等，學習時間長且操控體驗差。對于一些有操控速度要求的操作，比如彈琴、打字等，傳統的假肢產品完全無法勝任。

另一大痛點是拇指。據醫學統計，喪失拇指功能的手將喪失40%的手部功能，因此對拇指的功能要求相較其他手指更高。而拇指功能的實現很重要的一點在于拇指的展收功能，即讓拇指分別處于手掌的側面和手掌的正對面，這對于像捏卡片、握筆、使用筷子和握水杯、握扶手這種不同類型的動作轉變是非常有意義的。但是傳統的上肢假肢要么不具備拇指展收功能，要么只能用另一只健全的手來掰動拇指實現展收，嚴重影響了拇指的功能，也影響了整只手的功能。

《設計》：據介紹，BrainRobotics智能仿生手是第一款結合了腦機接口技術和人工智能算法、可以實現每根手指獨立運動的量產仿生手，請介紹一下非侵入式腦機接口技術及其在BrainRobotics智能仿生手中的應用。

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：“非侵入式腦機接口技術”是一個復合名詞，由“非侵入式”和“腦機接口技術”兩部分組成。其中“腦機接口技術”是一種新型人機交互技術，它試圖建立起大腦與機器之間的直接聯系，讓人們可以用自己的想法直接控制機器，而不需要語言、文字、鍵盤、鼠標或是手柄之類的輔助方法。

“非侵入式”描述了這種方法的實現手段，并不用做開顱手術，而是通過采集人體皮膚表面的生物信號，來解析出大腦的狀態，甚至可以在未來解析出意識和想法，從而實現對機器的控制。這種方法不入侵人體，所以稱為“非侵入式”方法。所以相對風險較低，使用者容易接受，相關產品也更容易推廣。但是這種方法是隔著皮膚了解人體內部情況，信息傳遞路徑長，所以在信息傳遞過程中存在信息衰減、噪聲混疊的問題。為了克服這些難題，非侵入式腦機接口在實現的過程中，要著重研究人機界面材料、信號采集放大、意圖識別算法等。

具體到BrainRobotics智能仿生手，我們需要利用非侵入式腦機接口技術獲得使用者的運動意圖;設計剛柔結合的感應電極，實現皮膚表面肌電神經電信號的穩定可靠采集;設計相應信號采集放大電路，對采集到的信號進行處理;并設計運動意圖識別算法，對使用者想要控制仿生手手指動作的想法進行辨識。

《設計》：請介紹下BrainRobotics智能仿生手研發團隊的構成及分工。

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：我們的團隊是由一群畢業于海內外頂尖高校的碩士、博士、博士后，資深工程師，以及若干名假肢體驗官組成的。這一群人夜以繼日地在一起共同打磨產品，才有了這樣一款兼具實用性與設計感，又能在商業模式上有突破，讓殘疾人花更少的錢就可以用上的智能產品。

《設計》：BrainRobotics智能仿生手從概念到原型用了多長時間？最具挑戰性的階段在哪個部分？團隊是如何攻克的？從概念產生至今，產品經過了多少次迭代？

Brain Robotic s智能仿生手研發設計團隊：BrainRobotic s智能仿生手從概念到原型用了5 年的時間，在每個階段都有挑戰性難題。其中最有挑戰性的，也是大家最容易看到的，那就是如何采用非侵入式腦機接口技術實現運動意圖的識別。這涉及到一系列工作，包括如何設計電極以獲得穩定可靠的信號，如何讓算法能夠從信號中捕捉到運動意圖對應的典型特征。為了克服這些難題，團隊跨專業精誠協作，反復迭代。從概念產生至今，產品經歷了5次大的整體迭代，在這些大的整體迭代之外，還伴隨著無數次小的局部迭代。比如產品構成的一小部分的采樣電極，它的電極材料的配方和結構設計就經歷了上千次迭代。

《設計》：隨著社會文明程度的提高，弱勢群體日益受到關注，智能義肢產品的開發也漸多。BrainRobotics智能仿生手有哪些領先行業的創新設計、技術或專利？

Brain Robotics智能仿生手研發設計團隊：Brain Robotics智能仿生手開創性地提出基于腦機接口技術的獨家商用仿生手智能交互系統?；谀X機接口技術，采用8枚非侵入式生物電感應電極，檢測使用者皮下肌電神經電信號，能精細識別使用者每根手指的運動意圖，用戶像控制自己的手一樣，精確地控制5 根手指的運動做出無限多的手勢。同時，我們為其申請了相關專利。

團隊通過分析人手運動譜，仿照人手肌骨結構，采用剛柔耦合欠驅動設計，在該驅動構型的基礎上，加入6套位置、電流傳感器和2套姿態、加速度傳感器，可實現仿人抓取運動軌跡，以及對抓取力的自適應調節，從而實現仿人的抓取操作感知過程。

此外，團隊也獨家提出非侵入式腦機接口適配關鍵期理論，突破傳統假肢的適配理論，解決了仿生手棄用難題。傳統假肢手接受腔采用石膏成型工藝，匹配度不夠高，佩戴不夠舒適，加之傳統商用假肢手操控困難，導致傳統商用假肢手棄用率高，造成資源浪費。團隊采用3D掃描-打印工藝進行仿生手的快速適配，通過積極康復訓練，提升該仿生手日常生活的實用性和使用者對仿生手的接納程度，從而降低仿生手棄用率。

《設計》：在仿生手的產品介紹中提到BrainRobotics智能仿生手的“性價比更高”，目前BrainRobotics智能仿生手的價格是一個什么水平？公司如何有效控制其造價？

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：國際上同類型的智能假肢手的價格在50萬到70萬之間。BrainRobotics智能仿生手通過國產化替代、模塊化生產制造、集成產品開發等手段控制造價，成功將價格壓縮為同類型產品的五分之一到七分之一。

《設計》：設計一件康復輔具產品會面臨來自市場以及行業規章等哪些方面的挑戰？

Brain Robotics智能仿生手研發設計團隊：市場方面主要是購買的人群經濟水平大多數較低，所以需要做到功能與價格的平衡，并通過與殘聯、慈善基金合作的方式降低用戶的購買成本。在行業規章方面，團隊需要學習貫徹康復輔具相關產品及服務的國家及行業標準。

《設計》：針對BrainRobotics智能仿生手的性能和設計，團隊還將進行哪些方面的優化和改良？

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：下一代智能仿生手會針對外觀和重量進行優化，做到外觀更逼真、穿戴更舒適。更重要的是，下一代智能仿生手會加入感覺反饋功能，讓佩戴仿生手的用戶朋友能夠通過仿生手感受到世界的紋理和溫度。

《設計》：基于Brain Robotics智能仿生手的設計與技術，BrainCo還將深耕/拓展研發哪些腦機接口與人工智能算法相結合的產品？

BrainRobotics智能仿生手研發設計團隊：非常多。產品包括神經功能障礙相關的疾病或不適，如孤獨癥、老年癡呆、睡眠障礙、抑郁癥等;運動功能障礙相關的中風康復等;以及面向普通人的身心狀態調節，如正念舒壓。