3D打印与神经形态科技结合，打造具有触觉反馈的仿生机械手

2025年3月10日，南极熊获悉，来自约翰霍普金斯大学(JHU)、佛罗里达大西洋大学(FAU) 和伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的研究人员开发出了一种能够模仿人类触觉的机械手。这款仿生设备结合了 3D 打印的内部骨架和状聚合物材料，手指配备三层触觉传感器，模拟人类皮肤的分层结构，使其不仅能感知触碰，还能识别物体形状和材质。

这项研究由约翰霍普金斯大学生物医学工程教授 Nitish Thakor 和生物医学工程师 Sriramana Sankar 领导，旨在改善手部残疾患者的假肢解决方案，并改进机械臂与物理环境的互动方式。这项研究得到了美国国防部(DoD) 通过矫形和假肢成果研究计划和美国国家科学基金会(NSF) 的资助。

Sankar说：“从一开始，我们的目标就是打造一只基于人手的物理和感知能力的机械手——一种功能和感觉都像失去肢体的更自然的假肢。我们希望让失去上肢的人能够安全自由地与周围环境互动，感受和拥抱他们所爱的人，而不必担心伤害他们。”

△受人类手部启发而开发的具有神经形态触觉感应功能的混合机械手。图片来自 JHU

具有类似人类感知功能的混合机械手

传统的机械手要么太硬要么太软，而本研究中的混合机械手则兼顾了这两个因素。这使得机械手的抓握力足够牢固，可以稳稳地握住水瓶，同时又足够灵巧，可以拿起易碎的塑料杯而不损坏它。

为了实现这一目标，机械手以独特的方式将软机器人的灵活性与传统刚性机器人的强度相结合，使其能够更自然地抓握和处理各种日常物品。此外，手指尖具有三个触觉传感器层，每个层的设计灵感都来自人类皮肤的感觉受体。

这些包括对轻触和变形敏感的压阻层，以及用于检测细微振动的压电层，模仿人类手指复杂的感官体验。

混合机器人手指包含三个独立驱动的软关节，由化学制造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 硅胶制成，并由 3D 打印的聚乳酸 (PLA) 刚性骨骼结构支撑。

有限元分析和实际测试表明，混合手指在仅 7 psi 的驱动压力下即可实现显著的灵活性，曲率达 130°，屈曲角度达 208°。与通常需要更高压力的纯软机器人手指相比，这显然更加高效。

Sankar说：“如果你手里拿着一杯咖啡，你怎么知道它就要掉下来了？你的手掌和指尖会向大脑发出信号，告诉你杯子正在滑落。我们的系统是受神经启发的——它模拟手的触觉受体来产生类似神经的信息，这样假肢的‘大脑’或计算机就能知道某物是热的还是冷的、软的还是硬的，或者是否从握柄上滑落。”

在实验室测试中，混合手指的抓握力是全软机器人替代品的三倍多。嵌入式多层触觉传感器在区分26 种不同纹理方面非常有效，平均准确率高达 98.38%，而标准软硬假肢手指的准确率约为 83%。

为了高效处理触觉信号，研究团队采用了神经形态编码，这是一种受自然神经通讯启发的方法。这种方法显著增强了手部辨别纹理的能力。

实际演示进一步凸显了机械手的实用性，成功进行了肌电图（EMG）控制实验，实验涉及抓取南安普敦手部评估程序（SHAP）中的各种物体，从精致的物品到较重的物品。

值得注意的是，混合机械手在抓取任务中识别和区分 15 种常见日常物品的准确率高达 99.69%。测试的物品包括不同形状、质地和柔软度的物体，展示了机械手的适应性和精确度。

研究人员称这项研究是一项突破，但仍有改进的空间，比如增加刚性关节以增强抓握力，并将感官覆盖范围扩大到指尖以外。他们还建议探索神经刺激，为用户提供更自然、更逼真的触觉。

△具有多层神经形态触觉感应的混合手指。图片来自 JHU

改善假肢的抓握和人工触觉

同样地，全球各地的相关研究团队也一直在探索旨在提高实用性的假肢解决方案。例如，假肢3D 打印公司Open Bionics向德国一家医疗机构交付了先进的Hero Arm 假肢，帮助因地雷爆炸受伤的士兵。Hero Arm 配备了前臂激活的传感器，可以精确控制可移动的拇指和手指，抓握能力明显优于传统假肢。

△3D 打印手臂。照片来自Hero Arm的梅琳达·哈林 (Melinda Haring)

其中一位受助者维塔利·伊瓦什丘克 (Vitalii Ivashchuk) 表示，他对假肢的功能性和自然性感到惊喜，并指出它超出了他的预期。假肢项目由乌克兰超人基金会协调，并得到万事达卡的支持，旨在扩大乌克兰的假肢和康复服务。

布里斯托大学的科学家开发了一种名为“TacTip”的人造指尖，使假肢能够“感觉”物体。指尖装置采用模仿人类皮肤乳头的 3D 打印结构制成，可以感知物体形状并传输类似于自然触觉反应的人工神经信号。

在测试过程中，TacTip 可以准确地响应与人类皮肤类似的压力，但由于人造皮肤较厚，在检测物体方向时灵敏度略低。尽管如此，研究人员仍观察到人工和自然感官反应之间存在显著的相似性。研究团队表示，通过进一步改进，TacTip 可以显著提高机器人的灵活性，使机器人能够自动执行水果采摘等敏感任务，或在假肢手中提供增强的触觉。