中国科学家研发19自由度轻质仿生灵巧手，有望革新假肢和机器人技术近日，中国科学技术大学工程科学学院/人形机器人研究院张世武教授、王柳特任教授、金虎副教授与孙帅帅特任教授团队成功研发了一种具备19个自由度的轻质仿生灵巧手，相关成果已于1月22日以“A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions”为题在线发表于国际学术期刊《Nature Communications》。这款灵巧手重量仅为0.37千克，却能够复现人手级别的功能，为全球超过一千万名上肢截肢患者带来了重获生活自理能力的希望，同时也为人形机器人的灵巧操作提供了新的解决方案
中国科学家研发19自由度轻质仿生灵巧手，有望革新假肢和机器人技术
近日，中国科学技术大学工程科学学院/人形机器人研究院张世武教授、王柳特任教授、金虎副教授与孙帅帅特任教授团队成功研发了一种具备19个自由度的轻质仿生灵巧手，相关成果已于1月22日以“A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions”为题在线发表于国际学术期刊《Nature Communications》。这款灵巧手重量仅为0.37千克，却能够复现人手级别的功能，为全球超过一千万名上肢截肢患者带来了重获生活自理能力的希望，同时也为人形机器人的灵巧操作提供了新的解决方案。
人手拥有23个自由度，重量仅占人体重量的约1/150，但却承担着全身运动功能的54%，是体现人类及人形机器人工作能力的关键部件。然而，目前市场上的假肢灵巧手和人形机器人灵巧手都面临着巨大的挑战。传统假肢灵巧手通常采用电机驱动，功率密度低，难以在自由度和重量之间取得理想的平衡。过重的灵巧手（超过0.4千克）会让患者感到严重不适，而自由度较低（通常少于10个）的灵巧手则只能执行有限的抓握动作，远不能满足日常生活的需求。这种局限性导致近一半的假肢灵巧手最终被患者放弃使用。因此，如何在兼顾高自由度灵巧运动和舒适佩戴之间找到平衡，成为假肢灵巧手领域一个重要的科学难题。
为了解决这一难题，研究团队巧妙地采用了高功重比形状记忆合金(SMA)作为人工肌肉驱动，并仿生设计了类肌腱传动系统。该系统能够放大SMA的驱动力，同时减小传动阻力，有效提升了灵巧手的效率。此外，研究人员还在手指和手腕内嵌入了23组传感单元，用于实现关节的精确运动控制。通过集成包含冷却模块的38组阵列式SMA驱动器，最终实现了假肢灵巧手的19个主动自由度运动。
得益于仿生设计和高度集成的方法，这款假肢灵巧手仅重0.37千克，却具备了人手级别的灵巧操作能力。它能够完成诸如梳头、写字、握手、递名片和下棋等日常精细操作任务，在舒适性、高自由度和精确可控性方面取得了完美的平衡。更令人惊叹的是，它还能操作剪刀、使用手机，甚至完成复杂的手语手势。目前，该灵巧手已能够完美复现传统的33种人手抓握动作，并能够完成6种更高难度的全新抓握动作，极大地拓展了其应用场景。
为了方便用户使用，研究团队还将语音识别技术与假肢灵巧手进行了整合。该系统支持60种语言和20种方言，识别准确率高达95%，响应时间仅为毫秒级，实现了简单、友好且低成本的人机交互。这种设计显著降低了学习成本，方便了截肢患者的学习和使用。
在临床测试中，一名60岁的女性截肢患者仅用半天时间就熟练掌握了该假肢灵巧手的使用方法，并成功完成了南安普顿手功能评估程序（SHAP）和沃尔夫运动功能测试（WMFT）等标准假肢手功能评估实验中的代表性任务。这充分证明了该假肢灵巧手的实用性和易用性。
这项研究成果具有极强的工程应用前景。轻量化、高自由度、高精度控制以及便捷的人机交互能力，使得这款假肢灵巧手能够为全球数百万上肢截肢患者提供更舒适、更便捷的生活辅助。同时，它也为人形机器人灵巧操作研究提供了有效的解决方案，有望推动人形机器人技术的发展，使其在更精细、更复杂的任务中发挥更大的作用。其优秀的性能和广泛的应用前景，无疑将为假肢技术和机器人技术领域带来一场革命性的变革。
这项研究的成功之处在于它巧妙地结合了仿生学、材料科学、机械工程和人工智能等多个学科的先进技术。高功重比形状记忆合金的应用极大地提高了驱动效率，而仿生类肌腱传动系统的引入则有效地降低了传动阻力，提高了灵巧手的灵活性。精确的运动控制系统保证了手部的精准操作，而语音识别技术的集成则简化了人机交互过程。所有这些技术创新共同成就了这款具有突破性意义的假肢灵巧手。
这款轻量化、高性能的仿生灵巧手，不仅是一项重要的科技突破，更是一项充满人道主义关怀的创新成果。它将为无数上肢截肢患者带来新的希望，帮助他们重拾生活信心和独立自主能力，提升生活质量，最终造福全人类。 其应用前景广泛，不仅局限于假肢领域，在医疗康复、工业自动化、服务机器人等领域也将发挥巨大作用。 这无疑是科技进步造福人类的一个优秀范例。
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