灵巧假肢：再造人手功能
上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、浙江大学、中南大学、上海仁济医院、丹阳假肢厂有限公司组成联合团队，在国家973计划的支持下完成了我国第一代神经控制多自由度灵巧假肢的研发和应用。
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假肢的应用历史悠久，迄今为止它仍然是截肢患者运动功能康复的唯一手段。诞生于1948年的肌电假肢是一个重要的技术分水岭，它首次建立了假肢与截肢患者神经系统之间的信息通道，开启了“神经控制”的先河。
自20世纪 70 年代起，肌电假肢开始广泛应用于康复医学并迅速取代了早期的机械式假肢。但直到本世纪初，国内外所有的肌电假肢依然均采用单自由度结构，只能完成简单的夹持操作，与人手的功能相去甚远。
近年来，因生机电一体化技术的迅速崛起以及康复医疗产业日益增长的需求，欧美发达国家开始投入大量的经费和技术资源从事智能灵巧假肢的研发。2005年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动了“革命性假肢”（Revolutionizing Prosthetics）研究计划，并提出了“再造人手功能”的目标，展示了引领假肢新一轮技术革命的雄心。
在全球各大研究计划的带动下，灵巧假肢的第一代产品相继问世。2007 年，英国的Touch Bionics公司与爱丁堡大学合作完成了全球首个仿人手灵巧假肢 i-Limb的研制，被《时代周刊》推举为全球 50 项最佳发明之一。在此后的2011—2014年间，德、英、美等国又先后推出了Michelangelo、Bebionic和DEKA灵巧假肢系统。
我国的灵巧假肢研究与欧美同期起步，近10年中在灵巧假肢机构设计、神经控制等技术领域取得了突破性进展。2011年，国家科技部启动了首个以神经控制灵巧假肢为主题的973计划项目。在该项目的支持下，由上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、浙江大学、中南大学、上海仁济医院、丹阳假肢厂有限公司组成的联合团队完成了SJT-X、HIT-X、973-X系列假肢的研发，其中部分产品已进入临床应用（图1），填补了我国在这一领域的空白，并实现了与国际先进水平的同步发展。
科学技术问题及国内外研究进展
灵巧假肢汇聚了机械设计与制造科学、信息科学、神经科学与神经工程学交叉学科的前沿技术，2010年被《生命科学》（Life Science）杂志推举为未来的十大创新技术之一。
神经控制灵巧假肢包含“机械本体”和“神经控制接口”两大功能单元。机械本体是假肢的执行系统，要求具有与人手类似的机械结构和运动学特性，可以再现人手的操作与感知功能。神经控制接口则是假肢机械本体与神经系统之间的通信装置，其功能是对截肢患者的神经信号进行测量和处理，并“翻译”成假肢的动作控制指令。
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1. 假肢机械本体：人手有20多个自由度，由34个生物马达驱动，最大动作频率可达4~7赫兹；此外，人手分布有约1.7万个机械刺激传感器，具有卓越的触觉和本体感知功能。假肢研发面临的首要问题是如何设计和制造假肢的机械系统，再造人手的运动和感知功能。
仿人手灵巧运动机构：在人手运动功能再造方面，一项不能不提的研究工作是起源于20世纪80年代的机器人多指灵巧手技术，广为人知的多指灵巧手有Robonaut手、DLR手、Shadow手等。以Shadow手为例，它有40个自由度，几乎实现了对人手自由度的完全复制，从机构的运动特性来看，它代表了人手功能再造的最高水平。
但机器人多指手机构并不能直接应用于假肢设计，其机械结构过于复杂，通常采用外置式驱动、传动和控制系统，难以满足残肢安装条件约束；此外，即使是目前最先进的神经接口也无法实现其众多自由度的独立控制。因此，假肢机构设计必须另谋出路。
多自由度灵巧假肢研究始于21世纪初。与机器人多指手相比，现有假肢机构普遍采用欠驱动设计，即利用较少的驱动器，通过少输入多输出传动机构实现假肢的多关节运动控制。在各类欠驱动设计方法中，尤其值得一提的是基于人手关节协同模型的假肢机构。
所谓“关节协同”，是指人手操作过程中各关节运动并非相互独立，而是按一定的协同关系被限制在一个低维流形上。根据上述的协同关系来设计少输入多输出传动机构，可使得欠驱动假肢较好地再现人手的运动功能。
一个典型的例子是上海交通大学研制的SJT-4全耦合假肢机构，其15个关节的运动由2个电机通过一个特制的传动机构控制，该2输入15输出传动机构的设计基于人手关节运动的二阶协同模型。尽管SJT-4假肢机构只有2个独立自由度，但实验显示，它可以再现人手80%以上的常用操作模式，并可完成双健身球操作等复杂任务。
与实验系统相比，产品化假肢机构设计要困难得多。因安装条件限制，假肢的尺寸和重量必须满足苛刻的约束条件。因此，产品化假肢很少采用结构复杂的全耦合机构。现有的多数灵巧假肢产品配置有4~6个独立自由度和10~16个非独立运动关节。此外，部分假肢还具备一定的顺应运动特性，通过内置的形状自适应机构来增强假肢的操作性能，譬如上述973项目研制的973-IIIB假肢就采用了该项技术。
感知系统：感知功能再造是假肢机械本体设计面临的另一个难题，它可分解为“感”和“知”两个部分。所谓“感”，是指假肢的传感系统设计，对此目前已有多种解决方案。譬如哈尔滨工业大学采用量子隧道效应复合物作为敏感材料研制的阵列式触觉传感器具有三维力传感功能，可在假肢的每个指尖集成12~16个敏感单元，数据采集电路具有柔性结构，整个触觉传感系统可完全内置在指尖，空间分辨率约3.5毫米，目前已集成到973-X系列假肢中。
此外，973-X系列假肢还配置了关节位置和力矩传感器。但到目前为止，假肢传感系统与截肢患者的感知神经系统是相互独立的，其功能仅限于为控制系统中的内环控制器提供触觉和本体位置信息反馈，增强假肢的局部自主式操作功能。
感知功能再造的另一半工作是“知”。所谓“知”，是指建立传感器到截肢患者神经系统的信息上行通道，让假肢具备与人手类似的知觉，这方面的代表性研究进展首推电触觉技术。上海交通大学的973项目团队对基于幻指区电刺激的感知通道重建方法进行了一系列尝试，将假肢的触觉传感信号转化成一定模式的电刺激脉冲，通过刺激残肢幻指区实现了触觉信息的空间选择性传递。
与国外同期研究的侵入式电刺激相比，该技术无创伤且实施方便，具有潜在的应用优势。但到目前为止，电触觉技术研究仅有初步的进展，对于本体感知的研究结果就更少。准确地说，假肢目前还处在有“感”无“知”的阶段，现有的部分假肢所采用的“替代感知”仅仅是一种过渡性技术。但按照目前的技术发展趋势，我们有理由对感知功能再造技术做一个乐观的预期：在未来5~10年内，仿人手感知功能或许会成为灵巧假肢的一个基本特征。
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2.神经控制接口：神经控制接口是假肢与神经系统之间的通信装置，表面肌电信号作为神经系统电活动的信息载体，在假肢接口的研究历史中一直扮演着十分重要的角色。肌电接口技术发展初期（20世纪40~70年代）最具代表性的工作首推有限状态机方法。
该方法测量残肢的两个独立肌肉组织的肌电信号，通过两块肌肉的同时收缩来控制假肢自由度之间的切换。每个自由度两个相反方向的运动分别由两块独立的肌肉来控制。有限状态机方法的主要缺点是当截肢患者完成复杂操作任务时，需要在不同自由度之间进行反复切换，而且这种切换和控制方式是反直觉的，截肢患者须通过大量的强制训练才能完成假肢的操作。
尽管如此，有限状态机方法仍然被公认为肌电接口技术发展过程中的一个里程碑，它首次实现了基于肌电信号的多自由度控制。直至2007年以后，i-Limb和 Michelangelo假肢的控制接口设计仍然采用了该方法。
自20世纪70年代起，模式匹配法逐渐成为假肢接口研究的主流技术，其原理是从截肢患者的残肢肌电信号中识别与运动相关的特征，并借助机器学习方法建立其与动作模式之间的匹配关系。
特征识别技术对模式匹配法的性能有至关重要的影响，早期的研究以肌电信号的幅值或能量为特征，主要用于单自由度控制。70年代后期，参数化时间序列模型开始应用于肌电信号分析，由此设计的肌电控制接口首次实现了4~5类动作模式的分类，展示了模式匹配法在假肢多自由度控制中的应用前景。
到目前为止，各类信号处理方法在肌电信号特征识别中均有不同程度的应用，如时域分析（时域统计分析、参数化时间序列模型）、频域分析（FFT）、时频分析（小波、SLEX演化谱）、空域滤波（CSP方法）、时频空联合滤波、非线性分析（状态递归图、高阶谱）等等。随着模式匹配技术研究的不断深入，灵巧假肢的接口传输率在过去几十年中持续提升。目前最先进的肌电控制接口在实验室条件下对10~20种离散动作模式识别和控制的准确率可达95%~99%。
不可否认，神经控制技术在过去大半个世纪中得到了长足的发展，但总体上看，其技术进步的速度落后于人们最初的预期。灵巧假肢的肌电接口目前还存在诸多不足，如传输率低、自适应性差、只能用于离散模式控制等等，特别值得指出的是，现有的肌电接口设计方法均采用了基于实验统计分析的唯象模型，与神经控制的本质有很大的距离。假肢与神经系统之间的信息通信技术是一项长期的科学任务，也是灵巧假肢功能和性能的决定性要素之一。国内外最新的研究进展包括以下5项。
（1）混合式接口：因测量方便、时间分辨率高等特点，表面肌电信号在假肢研究中一直倍受青睐，它几乎是现有的产品化假肢接口中神经信息的唯一来源。近年来，随着传感技术的进步，基于多模态信号的混合式接口开始在国内外实验室出现。譬如上海交通大学研制了残肢多通道肌电、肌音、近红外光谱集成化传感器，并应用于假肢的控制接口设计。初步的实验显示，混合式接口在传输率、鲁棒性等方面具有显著的性能优势。
（2）增强式接口：所谓增强式接口，是指利用外部刺激诱发或增强截肢患者神经系统的电活动，或借助替代感知技术构建假肢的反馈通道，实现接口与截肢患者的闭环交互，提升接口的传输性能。常用的外刺激方法有经颅电刺激和磁刺激、外周神经经皮电刺激、振动刺激等，相关的技术问题还包括多通道刺激的模式编码、诱发电生理分析等等。目前，外刺激辅助的增强式接口技术已开始在灵巧假肢研发中得到初步应用。
（3）同步比例控制：现有的各类灵巧假肢接口功能主要限于离散动作模式的识别与控制。近年来，对于同步比例控制技术的研究呈增长趋势，基于表面肌电信号的关节连续运动识别技术已取得了阶段性进展，国内外研究机构已在实验室条件下成功实现了灵巧假肢2~3个自由度的同步比例控制。全球假肢行业的旗舰企业Otto Bock已开始将该技术应用于肌电接口的研发，旨在为新一代假肢作技术储备。
（4）运动单元动作电位序列反解：在2009年至今的系列工作中，德国哥廷根大学伯恩斯坦计算神经科学中心的科学家采用高密度肌电测量系统同步记录数百通道的残肢肌电信号，通过特定的信号处理方法首次从表面肌电信号中分离出了与肌纤维运动单元动作电位高度相似的多通道脉冲序列，且实验显示，由此设计的假肢肌电控制接口传输性能大幅提升。但一个有待证实的问题是，分离出的多通道脉冲序列与运动单元动作电位序列之间是否存在确定的对应关系？该研究的重要意义在于它使得无创测量技术可用来获取与人手运动直接相关的神经信息，推动肌电技术更进一步。
（5）肌肉神经定向移位术：控制人手运动的肌肉组织全部位于手掌和前臂部位，对于高位截肢患者，假肢控制接口的信号来源就成了一个难题。肌肉神经定向移位术（TMR）的原理是通过外科手术将控制手部运动的神经移位至特定的残存肌肉组织，由此采集肌电信号并作为假肢接口的输入。该研究源自芝加哥康复研究所2004年的开创性工作，我国上海交通大学/复旦大学附属华山医院（图2）、中国科学院深圳先进技术研究院等单位也完成了类似的实验。
未来的科学研究任务
经历了1948年至今半个多世纪的发展，灵巧假肢设计、制造及应用技术如今已站上了一个新的起点。近年来，智能功能材料与软体机械、信息与传感、计算神经科学与类脑智能等技术迅速发展，正在改变假肢的技术发展轨迹，新一轮的技术变革已悄然孕育。
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1.类生物体灵巧假肢机构：现有的灵巧假肢无一例外地采用刚性结构，机械系统十分复杂，且随着接口技术的进步和假肢功能的进一步提升，其结构复杂性与操作灵巧性之间的矛盾日益加剧。此外，这类刚性假肢机构也不具备其生物摹本所特有的阻抗自适应和顺应运动特性。由于上述原因，灵巧假肢机构的技术换代已成为摆在科学家面前的问题。近年来，具有类生物体特性的软体手雏形开始在国内外实验室出现（图3），譬如比萨大学研制的Pisa/IIT手和柏林工业大学研制的RBO-2手，采用软体材料制作或利用内置弹性器件来改变关节的机械阻抗特性，大幅度提高了机构的仿人手灵巧操作功能和操作稳定性。这类手的机械结构通常十分简单，可以很好地平衡机构复杂性与灵巧操作功能之间的矛盾。以RBO-2为例，它只配置了一个独立驱动器，却可完成人手常用的33种抓取操作模式中的31种，整个手的制作成本还不到100美元。
尤其值得关注的是，在各类软体手机构中，基于主动功能材料的结构驱动一体化软体手显示出了独特的优势。譬如上海交通大学973项目团队采用介电弹性体制作了一个两自由度手指，在此基础上构造了SJT-S0三指灵巧手原型系统，可以完成纸杯抓握、小球拾取等操作，手指最大动作频率可达10赫兹。软体机构技术的发展和应用被科学家寄予厚望——它将大幅度拉近机器与生命体之间的距离。从多自由度刚性假肢机构到软体机构的变革，体现了假肢设计与制造技术向“再造人手功能”目标的又一次回归。采用先进软体功能材料研发类生物体灵巧假肢，或将成为未来的技术发展方向。然而，软体机械还是一项襁褓中的技术，在材料、结构设计、制造、控制等方面存在大量的科学和技术难题，这也为科学家提出了新的研究任务。
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2.假肢与神经系统的信息通道重建：人类早期使用的功能性假肢只是一种捆绑在人体上的机器，肌电控制技术的应用成就了其第一次重大技术变革，而这正是神经信息通道重建技术的雏形。过去70年中，该技术的发展主要归功于工程学的成就，而来自神经科学的贡献和支持远低于科学家的期许。就目前的水平来看，神经控制和感知通道重建研究都还处于起步阶段，未来的技术进步依赖于对神经系统信息认知水平的提升。根据现有的技术发展轨迹，我们不妨对近期可能取得的突破做一个猜测。
（1）神经控制：概括地说，对于灵巧假肢神经接口的研究重点将逐渐转向对人手运动的神经控制机理的认识，这一趋势目前已初露端倪。譬如基于高密度表面肌电信号的运动单元动作电位序列反解、神经信号的侵入式测量乃至单个神经元测量等技术的发展和应用，使得科学家有条件深层次地了解肢体运动在神经信号中的特征表现，提升灵巧假肢神经控制接口的传输率，将神经控制技术推向新的高度。
（2）感知通道重建：假肢的感知通道重建技术可追溯的历史很短，借助神经电刺激实现传感器与感知神经系统的空间选择性传递是目前最主要的进展。随着制造和医学技术的进步，目前科学家具备了更先进的实验技术手段，如空间选择精度更高的侵入式神经电刺激技术、时空分辨率更强的神经电生理、功能影像测量技术等等，为研究和认识刺激诱发的神经电活动、刺激模式编码等提供了条件。在未来一段时间内，电触觉技术完全有可能实现多模式感觉信号的准确分辨，并在产品化假肢中得到应用。
假肢技术数百年的发展步履蹒跚，“再造人手功能”迄今为止还是一个浪漫的目标，短期内面临一系列难以逾越的障碍。但科学进步的历史表明，每一项新技术的诞生，都在拉近浪漫与现实之间的距离。假肢技术的未来发展不仅需要浪漫情怀，更需要科学家脚踏实地的工作。可以预期，随着科学研究的持续和深入，智能灵巧假肢设计、制造和应用技术一定会迈上新的水平，为广大截肢患者带来福音。
致谢：感谢国家973计划项目“人体运动功能重建的生机电一体化科学基础”（项目编号：2011CB013300）的支持。
朱向阳：上海交通大学机械与动力工程学院教授、机器人研究所所长、机械系统与振动国家重点实验室主任、国家973计划项目“人体运动功能重建的生机电一体化科学基础”首席科学家。
盛鑫军：上海交通大学机械与动力工程学院副研究员、院长助理。
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