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上海交大谷国迎/朱向阳团队《ACS Nano》观点综述：软体机器人技术助力神经假肢手设计

时间：2023-06-18 来源：浏览：

上海交大谷国迎/朱向阳团队《ACS Nano》观点综述：软体机器人技术助力神经假肢手设计

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神经假肢手是一种可穿戴的人机智能系统，用以重建截肢患者的运动与感知功能。然而，现有神经假肢手依赖难以与人体软组织相容的刚性复杂结构，带来了仿生结构、神经接口与感知反馈等诸多方面的设计挑战。近年来，新兴的软体机器人技术为解决上述挑战提供了新思路。一系列概念验证研究已表明，利用软材料和结构的机械顺应性模拟生物的功能（如运动、传感和智能计算）在降低假肢手设计复杂性、集成多功能人工皮肤和感知交互等方面具有极大应用潜力。

近日， 上海交通大学的谷国迎教授 和 朱向阳教授 等人在 ACS Nano 国际期刊发表题为“Soft Robotics Enables Neuroprosthetic Hand Design”的观点文章，系统性回顾了软体机器人前沿技术对神经假肢手发展的推动作用，重点涵盖了假肢本体设计与肌电控制-感知反馈双向神经交互，并讨论了下一代神经假肢手在类生物体机械结构设计、高性能软体传感器和柔性神经交互接口方面的未来机遇。

图1 具有肌电控制和感知反馈的神经假肢手智能系统

神经假肢手的设计

基于对驱动、机构学和顺应性的不同考虑，神经假肢手经历了几个发展阶段，已具备拟人外观、灵活性以及适宜的握力（图2）。然而现有神经假肢手常基于刚性机构，其天然的机械约束造成假肢结构复杂、重量大、成本高昂。近期，神经假肢手的设计范式向“软”的方向转变，以轻质弹性部件为结构基础，通过简单的结构拓扑实现欠驱动柔顺运动，且易于模块化扩展制造。受益于上述方法，国际上已出现了软体神经假肢手的原型，展现出优于传统刚性假肢的适应性和灵巧性。

神经假肢手还需具备感知反馈与交互功能。受生物机械感受器启发，研究人员基于电容、电阻、光电、摩擦电、压电等原理开发了用于应变、压力、热等传感的电子皮肤。然而，多数研究关注传感器本身性能，鲜有应用于神经假肢手领域。因此，开发能够嵌入神经假肢手中的耐用型高密度电子皮肤是未来的重要方向。

图2 神经假肢手的发展简史

人机神经接口

肌电控制接口

肌电控制接口是目前应用于神经假肢手的主流方法。信号采集和解码是肌电控制接口中的两项核心技术。肌电传感器可分为侵入式和非侵入式两大类，其中广泛应用的为非侵入式（图3）。常见的非侵入式传感器采用金属干电极，其与皮肤接触不良造成的电极偏移易导致肌电信号质量下降。近年来，软材料制造技术（如3D打印、MEMS、蚀刻等）的进步推动了高拉伸性柔性电极（水凝胶、金属液体、导电聚合物和碳纳米管等）的发展。

此外，近年来涌现的深度学习和运动单位动作电位分解方法对肌电传感器的通道数量和密度提出了高要求，因而高密度柔性肌电传感器成为发展热点。通过优化电极结构，高密度肌电传感器可以有效削弱电极偏移的影响。然而，将电极阵列及采集系统嵌入到假肢中仍存在很大挑战，限制了高密度肌电传感器走向实际应用。

图3 肌电控制接口中典型的肌电电极

感知反馈接口

感知反馈接口旨在建立神经假肢手与截肢患者感知系统之间的人工通道，通过模拟感知刺激让截肢患者感受外部物体和环境（图4）。实现感知反馈依赖以下关键技术：1）集成于神经假肢手的电子皮肤，用于感知与外部触觉信息。2）反馈刺激装置，用于将感知信息传递给截肢患者。主要形式包括直接神经、感觉皮层刺激等侵入式方法和机械刺激、电刺激等非侵入式方法。3）感知信息的编码策略，便于截肢患者理解真实的触觉信息。

然而，在机器人学和材料学领域，设计多功能、高密度的电子皮肤来测量外部环境信息并非易事；而在神经科学和神经工程学领域中，对感官信息的编码和传递仍然是一个难题。此外，感知反馈系统的小型化、轻量化、低功耗化有待深入探索。因此，现有的神经假肢手通常无法提供良好的感知反馈。

图4 典型的感知反馈装置

【总结与展望】

类生物体机械结构设计

尽管软体机器人技术的引入有助于设计简单、柔顺的灵巧假肢手，但其机械性能与多功能感知能力依然与日常生活应用存在差距。模仿人手的生物力学结构开发刚柔仿生混合假肢系统或能解决上述难题。然而，这种刚柔仿生混合系统通常不能通过传统方法进行制造，多材料3D打印是最有潜力的解决方法之一。

高性能软体肌电传感器

目前，高密度肌电传感器仍然很难稳定的获取高质量信号，而柔性传感器在拉伸性、导电性和顺应性方面的优势有望解决这一问题。此外，肌电接口研究大多局限于实验室环境，如何在实际环境下长期稳定的对神经电生理信号进行在体记录，兼顾肌电传感器的可穿戴性、自适应性等仍需进一步研究。

柔性神经交互接口

当前的研究热点包括高性能软体电子皮肤的制造集成、反馈刺激设备的便携性以及与人类神经系统之间的牢固连接和通信。例如，与多功能和高密度电子皮肤集成以更好地与外部环境进行交互；研制集成先进编码策略的柔性便携式刺激反馈设备以引发自然生理感知；利用软电极建立神经接口，以产生自然的触觉和运动控制。

博士后招聘

招聘信息

上海交通大学机器人研究所软体机器人学与仿生设计课题组（Soft Robotics and Biodesign Lab）诚聘“软体机器人、机器人仿生设计与系统控制、软物质材料作动与传感、智能可穿戴系统”等方向博士后。

合作导师

谷国迎，上海交通大学教授、博士生导师。主要从事机器人学与软体机器人技术方向的研究。近年来，主持承担了国家杰出青年基金／优秀青年基金、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划、上海市基础研究重点等科研项目十余项，在Science Robotics, Nature Biomedical Engineering, Science Advances, IEEE Trans. Robotics, Advanced Materials, Soft Robotics等期刊发表录用论文百余篇，研究成果获教育部自然科学一等奖、上海市自然科学一等奖等。担任Soft Robotics、IEEE Trans. Robotics等期刊副主编、中国机械工程学会机器人分会副总干事、上海市机器人学会秘书长等。

申请方式

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