人造皮膚和腦部直接控制：機器人義肢的未來

Published by Deviceplus 編輯團隊 at 2022.02.23

機械手臂：人類醫療領域的重大突破

失去肢體對於人類來說是毀滅性的打擊，在幾十年前更是如此。這就是為什麼在第一次世界大戰中不惜一切想要逃避軍事任務的士兵們有時會向自己的腳或手開槍。這是可以擺脫戰鬥的一種方法。不幸的是，這種傷害帶來的是長期的痛苦、限制以及較低的生活品質。在機器人技術出現之前，足部義肢技術的最後一次重大進展是1971年研發的“齋浦爾腳（Jaipur Foot）”。

近年來，隨著機器人義肢設備的問世，情況發生了變化。讓我們進一步瞭解一些可用的設備。

現今的機器人義肢可以做什麼？

只用一個簡單的鉤子進行工作已經是過去式了。2016年，佛羅里達州的一位癌症倖存者Johnny Matheny成為首批機械臂的試用者之一。約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL）研製的這款機器人設備可以由大腦直接進行控制。為了實現這一成果，實驗室從美國國防部申請了超過1億美元的資金。由於士兵和退伍軍人需要得到相關援助，軍隊會積極促進新義肢的研發。

Matheny稱，與傳統義肢相比，APL開發的機器人義肢具有立竿見影的效果。他馬上就對該設備發出了驚歎：

“以前，我用這種保護帶通過抽吸和捆紮的方式來穿戴義肢。但是，現在通過骨整合的方式就可以順利連接植入體，不再需要那些過程。機械臂就像長在自己身上一樣，沒有什麼會對我造成困擾了。以前，我的活動範圍是受限的——我無法伸過頭頂和背後。現在，‘嘭’的一聲，這種局限性消失不見了。” – APL的模組化義肢技術獲突破

注意：骨整合是將骨骼與人造肢體相連接的醫療程式。這是確保機器人義肢操作安全的關鍵性步驟。

因此，它比非機器人義肢設備的回應速度快得多。與其他突破性的技術一樣，機器人義肢技術也存在一些明顯的缺點。設備必須保持乾燥，並且不能用於駕駛操作。同時，連接該設備還需要進行至少兩次的外科手術，因此需要花費大量的時間，使用該設備的風險也會更大。那麼如何通過機械腿來幫助人們生活得更加靈活自如呢？

正在走進您的生活的機械腿硬體

在阿富汗的一次爆炸事故中受了傷的Andy Grant，因為使用刀片式假腿參加10K比賽而上了2017年的頭條新聞。人們需要有能夠承受體育比賽壓力的義肢。但是，除了幫助人們參加競走比賽，機械腿還可以完成許多其他的任務。

比如Ottobock 研製的X3機械腿，不同於簡單的刀片，該機械腿可以通過用戶的智慧手機進行控制。同時，該設備還具有防水功能，因此在日常生活中具有更多的用途。該設備的電池可以續航五天。通過與智慧手機結合使用，該設備的學習曲線比其他設備更短。但是，連接智慧手機會產生安全問題。如果您的機械腿被惡意軟體入侵或破壞，可能會導致嚴重的損傷。

從歷史發展來看，對義肢的適應是一個很艱難的過程。但是，人工智慧（AI）軟體的開發使這個過程變得容易了一些。通過使用加強學習方法，一個AI研究項目在機器人膝蓋方面取得了重大進展：“使義肢穿戴者可以在平地上平穩行走10分鐘。”該研究在2019年發表於IEEE Transactions on Cybernetics期刊上，這意味著未來機器人義肢技術可能可以實現產業化並且變得更加富有成效。

但是，在廣泛使用這種類型的AI技術之前，有許多重要的安全和基礎學科問題亟待研究。

提示：如果您不想要通過智慧手機來控制機械腿該怎麼辦？MIT的研究人員開發了具有語音指令功能的機器人。百特研究機器人通過動態調整人類的語音輸入完成了一些體力工作。因此，機器人義肢可能需要使用較少的程式設計才能在未來變得更具成效。

推動機器人義肢發展的硬體開發：熱量和壓力感測器

機器人義肢需要具有回應能力和耐用性，並且需要模仿自然肢體的感知功能。在傳感方面，與物聯網（loT）連接的低成本溫度感測器和壓力感測器將會給人類穿戴機器人義肢帶來更好的體驗。第二個趨勢是有關於需要供電的機器人義肢靈活性的硬體開發。電池技術的發展對於機器人義肢便捷性和安全性的提升尤為重要。如果穿戴機器人義肢的人擔心腿沒電後會突然倒地，那麼使用此類的設備就可以避免這種情況的發生。

壓力感測器是機器人義肢中最重要的硬體元件之一。回想一下您最近一次用手揉捏酸痛的肌肉。在適當的壓力水準下，您會感到酸痛有所緩解。如果機器人義肢施加的力過大，您可以會因此受傷。一篇2017年的研究論文提出使用 A101 FlexiForce來解決感測和施加壓力方面的問題。該感測器能夠在-40°C至60°C（-40°F 至 140°F）的溫度範圍內工作，並且在撰寫本文時其成本不到100美元。感測器很小，成本低，因此易於安裝在機器人設備中（包括機器人義肢）。

溫度感測器是機器人義肢中的另一個關鍵硬體設備。如果沒有感測溫度變化的能力，那麼觸摸爐子或者其他高溫表面時可能會損傷機械手臂。
觸覺傳輸機械手臂使用熱量和壓力感測器為人類用戶提供回饋。正如2019年裝備BioTec的Dexterous Hands機械手臂所展示的那樣，這些機械手臂為人類用戶帶來了逼真的體驗。但是，傳遞熱量資訊會帶來風險。假設過多的熱量被意外傳遞，人類可能會受到傷害。未來，帶有熱量和壓力感測器的機器人義肢將需要被更加仔細地校準，以更好地在安全性和有用的回饋資訊之間進行衡量。