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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授、金虎副教授與王柳特任教授等在 Nature 子刊 Nature Machine Intelligence 上發(fā)表了題為：A soft-packaged and portable rehabilitation glove capable of closed-loop fine motor skills 的研究論文。

該研究基于手指皮膚非均勻形變機(jī)制和手部精細(xì)動(dòng)作康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以高功重比形狀記憶合金（SMA）彈簧為驅(qū)動(dòng)，提出了一種具備精細(xì)動(dòng)作訓(xùn)練的便攜式柔性康復(fù)手套機(jī)器人，有望服務(wù)全球數(shù)千萬手功能障礙患者的精細(xì)動(dòng)作康復(fù)與日常生活輔助。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)綜合手指皮膚褶皺結(jié)構(gòu)的仿生原理和霍爾傳感機(jī)制，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了集柔順運(yùn)動(dòng)與精確感知一體的仿生指套結(jié)構(gòu)，并據(jù)此提出了融合傳感系統(tǒng)、形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)與智能控制系統(tǒng)、供能與熱控系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)的柔性康復(fù)手套集成化設(shè)計(jì)方法。

得益于SMA高功重比和集成化設(shè)計(jì)，柔性康復(fù)手套機(jī)器人自重僅490克，且具備獨(dú)立工作能力。進(jìn)一步，提出了多模態(tài)精細(xì)動(dòng)作康復(fù)訓(xùn)練方法，從而實(shí)現(xiàn)手功能障礙患者便攜、精準(zhǔn)和安全的康復(fù)訓(xùn)練。臨床試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該便攜式、低成本柔性康復(fù)手套機(jī)器人在精細(xì)運(yùn)動(dòng)康復(fù)以及生活輔助等方面的優(yōu)勢。

柔性康復(fù)手套機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了類肌肉-肌腱的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），以高功重比形狀記憶合金（SMA）彈簧為驅(qū)動(dòng)，后置于手臂組件中，利用具備多級力放大的繩索機(jī)構(gòu)將SMA驅(qū)動(dòng)形變傳動(dòng)至指套結(jié)構(gòu)處，帶動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)；同時(shí)在手臂設(shè)計(jì)了用于SMA冷卻的可控風(fēng)道系統(tǒng)，提高了SMA指套的驅(qū)動(dòng)頻率；從而使SMA驅(qū)動(dòng)的位移、力和驅(qū)動(dòng)頻率的適應(yīng)于手功能康復(fù)需求。此外，通過模仿手指背部褶皺皮膚，提出了一種非均勻剛度柔性指套的仿生設(shè)計(jì)方法，并以柔順仿生運(yùn)動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，開展柔性指套的構(gòu)型優(yōu)化分析；進(jìn)一步，設(shè)計(jì)基于霍爾傳感元件的關(guān)節(jié)傳感系統(tǒng)，通過與柔性指套的非均勻剛度結(jié)構(gòu)適配，降低了指套運(yùn)動(dòng)對傳感系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的手指狀態(tài)感知。

圖1.柔性康復(fù)手套機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人手可以通過執(zhí)行單一動(dòng)作或其組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作。生活中90%的手部日常精細(xì)動(dòng)作來源于拇指對指、指尖對指、三指捏、圓柱握、側(cè)捏、握拳等六種單一動(dòng)作及其組合。通過研究上述六種單一精細(xì)動(dòng)作和組合動(dòng)作的仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)理，作者提出了精細(xì)動(dòng)作康復(fù)策略及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。利用所設(shè)計(jì)的指套感知系統(tǒng)精確獲取手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用閉環(huán)反饋控制算法，實(shí)現(xiàn)了SMA指套的精確運(yùn)動(dòng)控制和精細(xì)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了患者手指精細(xì)運(yùn)動(dòng)的多模式康復(fù)訓(xùn)練（圖2）。

圖2.手部精細(xì)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與康復(fù)訓(xùn)練

柔性康復(fù)手套機(jī)器人的輕質(zhì)與高集成設(shè)計(jì)使其具有極高的便攜性，使得患者的手功能康復(fù)訓(xùn)練脫離醫(yī)院等固定康復(fù)場所，實(shí)現(xiàn)了如家庭、公園、辦公室等場景的康復(fù)訓(xùn)練（圖3）。由于形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)不會(huì)像流體驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)生噪音，研究人員也驗(yàn)證了其在低噪聲環(huán)境中的使用可行性，如圖書館等。此外，臨床實(shí)驗(yàn)表明患者通過人機(jī)交互界面輸入期望動(dòng)作，柔性康復(fù)手套能夠輔助患者完成如梳頭、刷牙、拆吃零食、喝藥、寫字等復(fù)雜任務(wù)；通過將患者的康復(fù)訓(xùn)練與日常生活需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)動(dòng)作技能康復(fù)與輔助患者生活的融合，大大拓展了柔性康復(fù)手套機(jī)器人的應(yīng)用場景。

圖3.柔性康復(fù)手套機(jī)器人的多場景應(yīng)用與生活輔助功能

近年來，中國科大工程科學(xué)學(xué)院機(jī)器人與智能裝備研究所團(tuán)隊(duì)在形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)器的精確控制方面開展深入研究，取得了系列進(jìn)展，為康復(fù)手套機(jī)器人的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制奠定了良好基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生隨夢理、歐陽一鳴，金虎副教授為論文第一作者。工程科學(xué)學(xué)院金虎副教授、王柳特任教授和張世武教授為論文通訊作者。論文的合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)許旻副教授，澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授等。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院（安徽省立醫(yī)院）康復(fù)醫(yī)學(xué)科吳鳴技師長和安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院小兒神經(jīng)康復(fù)中心許曉燕副主任醫(yī)師分別在手功能臨床實(shí)驗(yàn)和精細(xì)動(dòng)作技能康復(fù)方面提供了專業(yè)指導(dǎo)，該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金的支持。