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中國團(tuán)隊(duì)首獲全球輔助技術(shù)“奧運(yùn)會(huì)”冠軍

2024年10月31日08:44 | 來源:科技日報(bào)
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原標(biāo)題:中國團(tuán)隊(duì)首獲全球輔助技術(shù)“奧運(yùn)會(huì)”冠軍

殘缺的右前臂嵌入義肢中,再用這隻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(dòng)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(shù)“奧運(yùn)會(huì)”(又稱“半機(jī)械人仿生奧運(yùn)會(huì)”)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“並肩作戰(zhàn)”的,是東南大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)。他們通過增強(qiáng)義肢的運(yùn)動(dòng)可靠性、負(fù)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(jí)科技助殘賽事中創(chuàng)造的最好成績。

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

此次大賽中,上肢義肢組是該項(xiàng)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(xì)物體抓取、盲盒抓取等10個(gè)義肢操作任務(wù),以任務(wù)完成數(shù)量和完成時(shí)間判定成績。

代表中國出征的上肢義肢團(tuán)隊(duì)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(xué)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)研究所宋愛國教授團(tuán)隊(duì)。

“此次比賽用到的義肢一共有三項(xiàng)核心技術(shù),分別是肌電信號(hào)的解碼識(shí)別、力感知與力反饋、靈巧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)?!彼螑蹏榻B。

那麼,義肢是如何與人體配合,以盡可能短的時(shí)間完成盡可能多的動(dòng)作呢?

“人在做出某個(gè)動(dòng)作前,是先由大腦感知周圍環(huán)境,隨后產(chǎn)生腦電波。腦電波沿著脊髓神經(jīng)傳輸出去,當(dāng)傳遞到前臂時(shí),肌電信號(hào)就會(huì)控制肌肉收縮,繼而驅(qū)動(dòng)動(dòng)作產(chǎn)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(shí)別。”宋愛國解釋,研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)別殘肢肌電信號(hào),再將其與義肢相連,驅(qū)動(dòng)義肢運(yùn)動(dòng)。

比賽中,殘疾人選手將操縱義肢手抓取多種物體,但由於殘疾人控制義肢的信號(hào)源非常有限,確保手指、手腕的可靠運(yùn)動(dòng)成為需要攻克的問題。

團(tuán)隊(duì)領(lǐng)隊(duì)、中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)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?,肩帶?nèi)有拉伸傳感器,可以監(jiān)測徐敏弓背時(shí)的肩膀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。傳感器通過監(jiān)測肩部位移信號(hào),與殘肢端獲取的肌電信號(hào)協(xié)同,控制手指的開合角度以及手腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)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(dòng)作差異很大,有時(shí)要能精細(xì)地?cái)Q燈泡、反轉(zhuǎn)手腕摞杯子,有時(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí),義肢抓取力的大小和力的分布,可以通過震動(dòng)刺激將信號(hào)傳給手臂。如果抓取力越大,震動(dòng)刺激就越強(qiáng)烈,選手就可以根據(jù)震動(dòng)強(qiáng)度,決定要施加多大的力?!?/p>

比賽中的動(dòng)作雖然都來自日常生活,但抓取一些精細(xì)的動(dòng)作或者特殊的物體,對於上肢殘疾人群來說仍有挑戰(zhàn)。對此,團(tuán)隊(duì)因地制宜地設(shè)計(jì)義肢,讓它們更靈活、穩(wěn)定。

“例如,我們在義肢手指上設(shè)置了4個(gè)不同的抓取區(qū)。第一個(gè)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(gè)功能區(qū)做成內(nèi)嵌的圓弧狀,以便能握住榔頭、瓶子等物質(zhì),第三個(gè)功能區(qū)做成半球面,可以抓珠子等圓形物體,第四個(gè)功能區(qū)設(shè)置在手指的兩個(gè)關(guān)節(jié)處,便於做拎水壺等負(fù)重動(dòng)作時(shí)固定物體位置。”胡旭暉說。

要在盡量短的時(shí)間內(nèi),以盡量少的失誤完成規(guī)定動(dòng)作,不僅考驗(yàn)義肢研制技術(shù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性,也要對復(fù)雜的賽場環(huán)境有很強(qiáng)的感知力。

胡旭暉介紹,比賽中有一個(gè)項(xiàng)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(tuán)隊(duì)在義肢手指中安裝了攝像頭,通過視覺識(shí)別技術(shù),將捕捉到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào),輔助徐敏完成了抓取,也讓她成為所有參賽團(tuán)隊(duì)中唯一完成這項(xiàng)任務(wù)的選手。

“此次奪冠讓我們意識(shí)到,要以滿足殘疾人的需求為出發(fā)點(diǎn)開展科研。今后,我們將研制人機(jī)共融感更強(qiáng)、操作功能更實(shí)用、日常使用更輕便的義肢手,讓廣大殘疾人群體受益?!焙駮煴硎?。(記者 金 鳳)

(責(zé)編:李昉、李依環(huán))

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