神經(jīng)假肢手是一種可穿戴的人機(jī)智能系統(tǒng)，用以重建截肢患者的運(yùn)動(dòng)與感知功能。然而，現(xiàn)有神經(jīng)假肢手依賴難以與人體軟組織相容的剛性復(fù)雜結(jié)構(gòu)，帶來了仿生結(jié)構(gòu)、神經(jīng)接口與感知反饋等諸多方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。近年來，新興的軟體機(jī)器人技術(shù)為解決上述挑戰(zhàn)提供了新思路。一系列概念驗(yàn)證研究已表明，利用軟材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)械順應(yīng)性模擬生物的功能（如運(yùn)動(dòng)、傳感和智能計(jì)算）在降低假肢手設(shè)計(jì)復(fù)雜性、集成多功能人工皮膚和感知交互等方面具有極大應(yīng)用潛力。
近日，上海交通大學(xué)的谷國迎教授和朱向陽教授等人在 ACS Nano 國際期刊發(fā)表題為“Soft Robotics Enables Neuroprosthetic Hand Design”的觀點(diǎn)文章，系統(tǒng)性回顧了軟體機(jī)器人前沿技術(shù)對(duì)神經(jīng)假肢手發(fā)展的推動(dòng)作用，重點(diǎn)涵蓋了假肢本體設(shè)計(jì)與肌電控制-感知反饋雙向神經(jīng)交互，并討論了下一代神經(jīng)假肢手在類生物體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能軟體傳感器和柔性神經(jīng)交互接口方面的未來機(jī)遇。
圖1 具有肌電控制和感知反饋的神經(jīng)假肢手智能系統(tǒng)
神經(jīng)假肢手的設(shè)計(jì)
基于對(duì)驅(qū)動(dòng)、機(jī)構(gòu)學(xué)和順應(yīng)性的不同考慮，神經(jīng)假肢手經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，已具備擬人外觀、靈活性以及適宜的握力（圖2）。然而現(xiàn)有神經(jīng)假肢手?；趧傂詸C(jī)構(gòu)，其天然的機(jī)械約束造成假肢結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、成本高昂。近期，神經(jīng)假肢手的設(shè)計(jì)范式向“軟”的方向轉(zhuǎn)變，以輕質(zhì)彈性部件為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)柔順運(yùn)動(dòng)，且易于模塊化擴(kuò)展制造。受益于上述方法，國際上已出現(xiàn)了軟體神經(jīng)假肢手的原型，展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)剛性假肢的適應(yīng)性和靈巧性。
神經(jīng)假肢手還需具備感知反饋與交互功能。受生物機(jī)械感受器啟發(fā)，研究人員基于電容、電阻、光電、摩擦電、壓電等原理開發(fā)了用于應(yīng)變、壓力、熱等傳感的電子皮膚。然而，多數(shù)研究關(guān)注傳感器本身性能，鮮有應(yīng)用于神經(jīng)假肢手領(lǐng)域。因此，開發(fā)能夠嵌入神經(jīng)假肢手中的耐用型高密度電子皮膚是未來的重要方向。
圖2 神經(jīng)假肢手的發(fā)展簡(jiǎn)史
人機(jī)神經(jīng)接口
肌電控制接口
肌電控制接口是目前應(yīng)用于神經(jīng)假肢手的主流方法。信號(hào)采集和解碼是肌電控制接口中的兩項(xiàng)核心技術(shù)。肌電傳感器可分為侵入式和非侵入式兩大類，其中廣泛應(yīng)用的為非侵入式（圖3）。常見的非侵入式傳感器采用金屬干電極，其與皮膚接觸不良造成的電極偏移易導(dǎo)致肌電信號(hào)質(zhì)量下降。近年來，軟材料制造技術(shù)（如3D打印、MEMS、蝕刻等）的進(jìn)步推動(dòng)了高拉伸性柔性電極（水凝膠、金屬液體、導(dǎo)電聚合物和碳納米管等）的發(fā)展。
此外，近年來涌現(xiàn)的深度學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位分解方法對(duì)肌電傳感器的通道數(shù)量和密度提出了高要求，因而高密度柔性肌電傳感器成為發(fā)展熱點(diǎn)。通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，高密度肌電傳感器可以有效削弱電極偏移的影響。然而，將電極陣列及采集系統(tǒng)嵌入到假肢中仍存在很大挑戰(zhàn)，限制了高密度肌電傳感器走向?qū)嶋H應(yīng)用。
圖3 肌電控制接口中典型的肌電電極
感知反饋接口
感知反饋接口旨在建立神經(jīng)假肢手與截肢患者感知系統(tǒng)之間的人工通道，通過模擬感知刺激讓截肢患者感受外部物體和環(huán)境（圖4）。實(shí)現(xiàn)感知反饋依賴以下關(guān)鍵技術(shù)：1）集成于神經(jīng)假肢手的電子皮膚，用于感知與外部觸覺信息。2）反饋刺激裝置，用于將感知信息傳遞給截肢患者。主要形式包括直接神經(jīng)、感覺皮層刺激等侵入式方法和機(jī)械刺激、電刺激等非侵入式方法。3）感知信息的編碼策略，便于截肢患者理解真實(shí)的觸覺信息。
然而，在機(jī)器人學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)多功能、高密度的電子皮膚來測(cè)量外部環(huán)境信息并非易事；而在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程學(xué)領(lǐng)域中，對(duì)感官信息的編碼和傳遞仍然是一個(gè)難題。此外，感知反饋系統(tǒng)的小型化、輕量化、低功耗化有待深入探索。因此，現(xiàn)有的神經(jīng)假肢手通常無法提供良好的感知反饋。
圖4 典型的感知反饋裝置
【總結(jié)與展望】
類生物體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
盡管軟體機(jī)器人技術(shù)的引入有助于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、柔順的靈巧假肢手，但其機(jī)械性能與多功能感知能力依然與日常生活應(yīng)用存在差距。模仿人手的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)開發(fā)剛?cè)岱律旌霞僦到y(tǒng)或能解決上述難題。然而，這種剛?cè)岱律旌舷到y(tǒng)通常不能通過傳統(tǒng)方法進(jìn)行制造，多材料3D打印是最有潛力的解決方法之一。
高性能軟體肌電傳感器
目前，高密度肌電傳感器仍然很難穩(wěn)定的獲取高質(zhì)量信號(hào)，而柔性傳感器在拉伸性、導(dǎo)電性和順應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)有望解決這一問題。此外，肌電接口研究大多局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，如何在實(shí)際環(huán)境下長期穩(wěn)定的對(duì)神經(jīng)電生理信號(hào)進(jìn)行在體記錄，兼顧肌電傳感器的可穿戴性、自適應(yīng)性等仍需進(jìn)一步研究。
柔性神經(jīng)交互接口
當(dāng)前的研究熱點(diǎn)包括高性能軟體電子皮膚的制造集成、反饋刺激設(shè)備的便攜性以及與人類神經(jīng)系統(tǒng)之間的牢固連接和通信。例如，與多功能和高密度電子皮膚集成以更好地與外部環(huán)境進(jìn)行交互；研制集成先進(jìn)編碼策略的柔性便攜式刺激反饋設(shè)備以引發(fā)自然生理感知；利用軟電極建立神經(jīng)接口，以產(chǎn)生自然的觸覺和運(yùn)動(dòng)控制。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01474
