高仿真假肢

虞珍霞

上海交通大学机械与动力工程学院

本科生

1　主要突破性技术

1.1　高仿真假肢主要涉及技术与基本原理

据不完全统计，中国有超过2 000万肢体残疾人口，关于高仿真假肢的研究一直是各国关于仿真技术的研究重点之一，但是至今仿真假肢仍停留在初级水平，仍有很大的发展空间。

高仿真假肢主要涉及的几项技术分别为假肢材料、生物微电流操控技术、产生触感。生物微电流操控技术即俗称的“意念控制”，实现方式有两种，一种是直接将脑电信号通过蓝牙等方式传递到假肢中分布的微电脑，然后使假肢按设想运动；也可以通过残肢末端的生物电流直接将信号传递给假肢。

仿真假肢对于材料要求很高，也是技术突破的重难点。新一代假肢的发展趋势是从人体内部接入，与剩下的骨骼连接，因此会与人体组织有直接的接触，其材料必须有良好的生物性，以及一定的强度和使用寿命，能支持一定且多种微小生物电流的通过。同时，应当努力研发智能材料，能智能感知特征生物电流并做出简单反应。由于在假肢末端有大量的微型传感器，末端材料应首先具备良好传递电信号的能力，如光纤能同时接收大量外界信号进行传递但互不干扰。最终希望达成的目标是完全用生物材料和职能材料取代金属电子结构（微机电系统除外）。

如何将生物电流，包括脑电波等信号处理成微型电脑能接收的电信号也是技术要点。上海交通大学今年成功实现“脑控蟑螂”，这说明简单脑电波或者是残枝末端的生物电流被电脑接收并处理成可识别信号是可能的。但是由于手部动作灵敏复杂，相应仿真假肢需要接收的脑电波、生物电流信号也十分复杂。因此可以建立一个生物电流信号库，将不同特征的电流信号与假肢应做出的反应联系起来，通过函数调用即可。

最后的技术难点是触感的产生与回馈，实际上是前两个过程的逆过程，将外界信息与大脑处理的信息进行实时的交互，给使用者良好的用户体验。图1、图2所示为未来仿真假肢可能的外观模型。

图1　可能的仿真手臂模型一^[1]

图2　可能的仿真手臂模型二^[2]

本次提出的高仿真假肢与目前研制出的假肢最大的区别在于智能材料的使用替代金属材料结构，能完成更多复杂并接近真人肢体所能完成的动作，而不是仅仅在外观上仿真，着重在假肢功能的仿真与材料对人体组织的仿真。

1.2　高仿真假肢相关工作性能

信号交互流程如图3所示：

图3　仿真假肢工作流程图

（1）人体产生的神经冲动（生物电信号）—电脑能处理的电信号；

（2）电脑处理后的电信号—假肢机械结构和职能材料、生物材料的动作指令；

（3）假肢末端接收的外界信号—电脑处理成电信号；

（4）电信号—神经冲动（生物电信号）。

假肢运动所需能量：微电机结构及微电脑所需电能靠自身携带的微型可充电电池提供，假肢运动所需电能较多，可采用蓄电量较高的锂电池置于假肢内部，或置于背部再连接到假肢。

2　应用意义与前景

帮助那些因意外而四肢受损者尽可能正常生活，摆脱受到歧视和不公正待遇的现状，对于全国两千多万乃至世界上的四肢存在缺陷的人来说具有十分重大的意义。部分先天性残疾的人也能获得和正常人同样生活的权利，减弱对该弱势群体的歧视现象，在社会学上有重大意义。

尽管最终产品为仿真假肢，但是在生产制造过程中运用到的多种技术可应用到多种生产实践领域。如生物性良好的材料可用于人体内，用于制造人造器官、人造血管或用于内部伤口或支架。而将传感器接收的信息处理为类似于触觉等人体感觉的技术，则可用于机器人探测，甚至可以实现科幻小说《带上她的眼睛》中描述的“足不出户去旅游”的情景。

同时会促进对人脑和意识的研究，使现有的信息时代跨越到新的时代。手控电脑将被取代，变成由大脑直接向电脑等设备下达指令。不但减少了大量需要人手控制的劳动，也使得电脑的使用更为简单，不需要过多的固定操作教程，仅仅靠人脑的意志就能使电脑完成我们的指令。

尽管这项涉及化学、电子技术与人因工程等各种领域的仿真假肢技术预期初步实现时间可能仍需要5 ～ 15年，但仍十分值得我们的期待。

【注释】

[1]重庆晨报 2015/3/14 电子版本所用插图.

[2]PCPOP网页3D 打印仿生手的未来.