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殘缺的右前臂嵌入義肢中，再用這只義肢快速完成提重物、抓紙片、摞杯子、繞鐵環(huán)、盲盒取物等動作，而且不能有失誤……10月26日，在瑞士蘇黎世舉行的第三屆全球輔助技術“奧運會”(又稱“半機械人仿生奧運會”)中，中國選手徐敏最終以90分的成績榮獲本屆大賽“上肢義肢”組冠軍。

與徐敏“并肩作戰(zhàn)”的，是東南大學和中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所的科研團隊。他們通過增強義肢的運動可靠性、負載能力、靈巧性，讓徐敏力克對手奪冠。此次奪冠，也是中國選手在全球頂級科技助殘賽事中創(chuàng)造的最好成績。

全球輔助技術“奧運會”由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院創(chuàng)立，每4年舉辦一屆。

此次大賽中，上肢義肢組是該項賽事中競爭最為激烈的組別之一。選手們要一次性完成義肢提重物、雙臂協(xié)作、精細物體抓取、盲盒抓取等10個義肢操作任務，以任務完成數(shù)量和完成時間判定成績。

代表中國出征的上肢義肢團隊共由7人組成，除了參賽選手徐敏，其中有5位科研人員均來自東南大學機器人傳感與控制技術研究所宋愛國教授團隊。

“此次比賽用到的義肢一共有三項核心技術，分別是肌電信號的解碼識別、力感知與力反饋、靈巧機構的設計。”宋愛國介紹。

那么，義肢是如何與人體配合，以盡可能短的時間完成盡可能多的動作呢?

“人在做出某個動作前，是先由大腦感知周圍環(huán)境，隨后產生腦電波。腦電波沿著脊髓神經傳輸出去，當傳遞到前臂時，肌電信號就會控制肌肉收縮，繼而驅動動作產生。要讓殘疾人靈活使用義肢，就需要幫助他們做好肌電的解碼和識別。”宋愛國解釋，研發(fā)團隊在選手的前臂斷肢的皮膚上貼了一對電極片，由它來解讀、識別殘肢肌電信號，再將其與義肢相連，驅動義肢運動。

比賽中，殘疾人選手將操縱義肢手抓取多種物體，但由于殘疾人控制義肢的信號源非常有限，確保手指、手腕的可靠運動成為需要攻克的問題。

團隊領隊、中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所博士后胡旭暉介紹：“我們?yōu)樾烀袅可矶ㄖ屏舜┐魇郊鐜В鐜扔欣靷鞲衅?，可以監(jiān)測徐敏弓背時的肩膀運動狀態(tài)。傳感器通過監(jiān)測肩部位移信號，與殘肢端獲取的肌電信號協(xié)同，控制手指的開合角度以及手腕關節(jié)的旋轉角度。弓背角度越大，肩部的位移量越大，手指開合度越大。反之亦然。”

比賽中，選手要抓取的物體、完成的動作差異很大，有時要能精細地擰燈泡、反轉手腕摞杯子，有時要能提礦泉水瓶、握榔頭、拎水壺。

那如何控制“手”上的力道?宋愛國介紹：“團隊在義肢的手指上植入了力觸覺傳感器，用它來檢測抓取物體時，義肢抓取力的大小和力的分布，可以通過震動刺激將信號傳給手臂。如果抓取力越大，震動刺激就越強烈，選手就可以根據震動強度，決定要施加多大的力。”

比賽中的動作雖然都來自日常生活，但抓取一些精細的動作或者特殊的物體，對于上肢殘疾人群來說仍有挑戰(zhàn)。對此，團隊因地制宜地設計義肢，讓它們更靈活、穩(wěn)定。

“例如，我們在義肢手指上設置了4個不同的抓取區(qū)。第一個功能區(qū)做得盡量水平，以便抓取紙片、藥匙這些平直物體，第二個功能區(qū)做成內嵌的圓弧狀，以便能握住榔頭、瓶子等物質，第三個功能區(qū)做成半球面，可以抓珠子等圓形物體，第四個功能區(qū)設置在手指的兩個關節(jié)處，便于做拎水壺等負重動作時固定物體位置。”胡旭暉說。

要在盡量短的時間內，以盡量少的失誤完成規(guī)定動作，不僅考驗義肢研制技術的穩(wěn)定性、準確性，也要對復雜的賽場環(huán)境有很強的感知力。

胡旭暉介紹，比賽中有一個項目類似“開盲盒”，要讓義肢穿過遮擋的毛刷，在肉眼看不見物體的情況下抓取硬度不同的圓柱體。為了讓義肢擁有“眼睛”，團隊在義肢手指中安裝了攝像頭，通過視覺識別技術，將捕捉到的圖像信號轉化為光信號，輔助徐敏完成了抓取，也讓她成為所有參賽團隊中唯一完成這項任務的選手。

“此次奪冠讓我們意識到，要以滿足殘疾人的需求為出發(fā)點開展科研。今后，我們將研制人機共融感更強、操作功能更實用、日常使用更輕便的義肢手，讓廣大殘疾人群體受益。”胡旭暉表示。