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截肢者通过超声波技术控制每个假肢手指

科技 2020-04-10 12:17:26

卢克·天行者的仿生手让截肢者离现实又近了一步。乔治亚理工学院的研究人员发明了一种超声波传感器,可以让截肢者分别控制他们的假肢手指。它提供了精细的运动手势,这是目前市面上可买到的设备所无法做到的。

第一个使用它的截肢者是一位音乐家,五年前他失去了右臂的一部分,现在他自事故后第一次能够弹钢琴。他甚至能弹奏《星球大战》主题曲。

“我们的假肢手臂是由超声波信号驱动的,”佐治亚理工学院的设计教授吉尔·温伯格(Gil Weinberg)说,他是这个项目的负责人。“通过使用这项新技术,手臂可以检测到截肢者想要移动的手指,即使他们没有手指。”

杰森·巴恩斯是与温伯格一起工作的截肢者。这位28岁的男子在2012年的一次工作事故中触电身亡,医生不得不切除他肘部以下的右臂。巴恩斯已经失去了他的手和大部分前臂,但他的残肢中仍然有控制他手指的肌肉。

巴恩斯的日常假肢与市场上的大多数设备相似。它由附着在肌肉上的肌电图传感器控制。他按下手臂上的按钮,把手臂转换成各种模式。每一种模式都有两个程序化的动作,由他来控制,或者弯曲或者收缩前臂的肌肉。例如,弯曲允许他的食指和拇指夹在一起;合同是他的拳头。

“肌电图传感器不是很精确,”佐治亚理工学院音乐技术中心主任温伯格说。“他们可以检测到肌肉的运动,但信号太吵,无法推断出这个人想要移动哪个手指。”我们试图改进杰森的肌电图模式检测,但无法实现手指对手指的控制。”

但后来研究小组环顾实验室,发现了一台超声波仪器。他们与另外两位佐治亚理工学院的教授合作——筱原实(Minoru Shinohara)、克里斯•芬克(Chris Fink,理学院)和勒文特•德杰特金(Levent Degertekin,伍德拉夫机械工程学院),并在手臂上安装了一个超声探头。医生用来观察子宫里的婴儿的那种探针可以观察巴恩斯的肌肉是如何运动的。

温伯格说:“那就是我们找到了灵感的时刻。”

当巴恩斯试图移动他被截掉的无名指时,他的肌肉运动与他试图移动其他手指时的肌肉运动不同。温伯格和他的团队将每一个独特的动作输入到一个算法中,这个算法可以快速确定巴恩斯想要移动哪个手指。超声波信号和机器学习可以检测到每个手指的连续和同步运动,以及他打算使用多大的力量。

“这完全是令人震惊的,”巴恩斯说。“这只新手臂让我可以随心所欲地握拍,无需改变模式或按下按钮。”我从没想过我们能做到这一点。”

这是温伯格的实验室为巴恩斯设计的第二款设备。他的第一个爱好是鼓,所以2014年团队给他装了一只装了两个鼓槌的义肢。他控制着其中一根棍子。另一个通过听音乐和即兴创作来自己移动。

这个装置给了他再次敲鼓的机会。机械手臂可以弹奏得比世界上任何鼓手都快。全球的关注使得巴恩斯和温伯格的机器人在全球四大洲巡回演出。他们还在华盛顿特区的肯尼迪中心(Kennedy Center)和慕歌节(Moogfest)演出。

这一成功促使温伯格迈出了下一步,创造出了巴恩斯自2012年以来就缺乏的灵活性。

温伯格说:“如果这种手臂能在音乐上发挥作用,就像弹钢琴一样微妙而富有表现力,那么这项技术也可以用于许多其他类型的精细运动活动,比如洗澡、梳洗和喂食。”“我还设想,身体健全的人能够通过移动手指远程控制机器人手臂和手。”

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