導 語
近日，中國科技大學進行的一項研究：具有閉環精細運動技能的便攜式軟體康復手套，可以幫助中風后手部功能受損的人實現單一和復雜的精細運動技能康復練習，并完成一些日常生活活動。這一研究成果發表在國際學術期刊《Nature machine intelligence》上。
1、研究背景
每年，全球有超過700萬新增患者因中風而出現手部殘疾。因神經通路受損，他們失去手部精細運動技能(fine motor skills, FMSs)。神經可塑性理論表明，通過重復的手部運動練習可以幫助他們重新建立調節手部功能的神經通路。因此，患者通常會在醫院接受專業治療師的強化康復訓練。但傳統的康復治療往往會給患者帶來沉重的經濟負擔，且當前治療師數量不足以滿足如此龐大患者人群的康復治療需求。
近年來，幫助患者進行康復訓練的機器人輔助技術迅速發展，然而現有的康復手套在實現精細運動技能方面仍然面臨著巨大挑戰。大多數手套不能夠直接捕捉受損手指的變形情況，且它們在手指的彎曲過程中無法實現閉環控制，尤其在協調多個手指完成復雜的精細運動技能的時候。
2、研究概述
該研究團隊設計了一種便攜式軟體康復手套，能夠實現具有實時感覺反饋和閉環控制系統的多種精細運動技能。這種手套僅重0.49公斤，具有緊湊、便攜和低噪音的優點，為患者在各種環境中的重復康復訓練提供了更多的機會，且已經驗證該手套可以幫助患者完成精細運動技能。
圖1：a)軟手套的分解圖。通過選擇性地加熱SMA 彈簧致動器，彎曲電纜和壓平電纜分別拉動手指進行彎曲和壓平。電路板和 HMI 面板集成在一起，便于控制和交互。五對電機開關用于選擇性地冷卻指定的 SMA。b)軟手套手部的后視圖。彎曲電纜穿過帶子的小孔并連接到指尖。指尖預留了一個孔，用于保證觸摸靈敏度。（圖片來自原文）
此手套由三個主要模塊組成：可觸摸的人機界面面板(human–machine interface, HMI) 、控制與驅動系統以及帶有彎曲傳感器的仿生指套。人機界面面板可輸入所需精細運動技能康復命令以及顯示手指的實際狀態。控制與驅動系統通過形狀記憶合金(shape-memory-alloy)彈簧來實現康復命令。帶有彎曲傳感器的仿生指套可以精確感測每個手指的三個關節角度，并反饋到控制系統以閉環方式驅動形狀記憶合金。
圖2：c)軟手套的工作原理，其中所需的 FMS 康復命令被發送給 HMI，由控制電路處理并由 SMA 彈簧致動器執行以使目標手指變形。通過三個彎曲傳感器測量手指的實際彎曲角度（記為φ ） ，然后饋送到電路板進行閉環控制，同時實時顯示在 HMI 面板上。（圖片來自原文）
中風后手部功能缺失患者使用定制軟體手套時，手指實際彎曲角度與所需角度非常吻合，只存在較小偏差。該偏差是由于中風后個體在康復鍛煉過程中出現無法控制的肌肉反應造成的，但此種偏差通常在兩秒內就會通過閉環控制系統被消除。
圖3：a)六種單模 FMS 的圖示：拇指對位、尖端捏捏、三腳架捏捏、圓柱形捏捏、橫向捏捏和拳頭。所涉及手指的彎曲角度在手勢附近提供，箭頭表示運動方向。b，代表性開關模式FMS：尖端捏緊到橫向到尖端捏緊以及五個手指的相應控制方案。c – h，六種單模式 FMS 康復中所需彎曲角度與實際彎曲角度的比較：拇指對位 ( c )、尖端捏捏 ( d )、三腳架捏捏 ( e )、圓柱捏捏 ( f )、橫向捏捏 ( g ) 和拳頭（h）。i，從尖端捏捏到橫向捏捏到尖端捏捏的代表性開關模式 FMS 康復。實線表示相關手指的實際彎曲角度，棕色虛線表示相應的所需彎曲角度。（圖片來自原文）
3、研究意義與討論
此研究部分填補了現有康復手套缺乏手指運動感應和閉環控制算法的空白，將傳感、驅動、人機界面、能源和閉環算法緊密集成。這款康復手套可以讓中風后的患者以更舒適方便的方式恢復手指的精細運動技能。對于肌肉無力或硬度較低的患者，這款手套幫助他們高精度地完成精細運動技能康復，有利于重建正確的神經通路。然而，對于肌肉強直的患者而言，形狀記憶合金彈簧的力量可能不足以讓他們的手指變形，且缺乏全面數據來驗證此款手套的長期康復效果。
參考文獻：Sui, M., Ouyang, Y., Jin, H. et al. A soft-packaged and portable rehabilitation glove capable of closed-loop fine motor skills. Nat Mach Intell 5, 1149–1160 (2023). https://doi.org/10.1038/s42256-023-00728-z
