捏针、用剪刀、拉拉链、刷手机，还能打字、下围棋……近日，中国科学技术大学教授张世武及合作者成功研发了一套具备19自由度的轻质仿生灵巧手，能复现人手级别的功能。相关研究成果日前发表于《自然-通讯》。
论文通讯作者张世武介绍，“19自由度假肢灵巧手不仅能提高人形机器人的灵巧操作能力，还有望为全球千万上肢截肢患者提供手部功能重建与日常生活辅助服务。”
19自由度假肢灵巧手。受访者供图
自由与轻巧难以兼顾
人的手具有23个自由度，虽然重量仅约为人体重量的1/150，但其运动功能占全身运动功能的54%。手的灵活度是衡量人类以及人形机器人工作能力的关键指标。
假肢灵巧手是一种模拟人手高自由度结构和灵活运动功能的康复辅助器具，能够帮助上肢截肢者完成手势表达、抓握及操作物体等任务，有效提升其生活自主性。
但是，传统假肢灵巧手通常使用功率密度较低的电机驱动，难以在自由度与重量之间达到理想的平衡状态。“患者在佩戴超过人手重量的灵巧手时感到严重不适。而且传统假肢灵巧手的自由度比较低，通常少于10个，只能实现有限的抓握动作，远不及人手的灵活性。”张世武介绍，这些原因导致接近一半的上肢截肢患者放弃使用假肢灵巧手。
因此，找到兼顾高自由度灵巧运动和舒适佩戴重量的设计方法，是假肢灵巧手领域的重要科学问题之一。
假肢灵巧手的类人手势、抓握、操作功能及患者实验展示。受访者供图
精准复现人手33种抓握动作
张世武多年从事仿生机器人研究。此次研究团队历时7年半，经过多个版本的迭代和优化，成功研发出19自由度假肢灵巧手，为实现灵活性和可穿戴之间的理想平衡提供了有效思路。
张世武介绍，这款灵巧手有很多优势：一是非常轻，总重370克，佩戴舒适。同时也具备较强的抓握能力，最大负载达2.5千克，满足患者日常所需。
二是具备语音交互能力。研究团队与科大讯飞语音识别技术结合，让灵巧手具备了简单、友好且低成本的人机交互能力，支持60种语言和20种方言，具备95%的识别准确率和毫秒级的响应时间。
“传统假肢灵巧手通过采集患者皮肤表面的肌电信号来识别患者的运动意图。这种肌电技术容易受患者出汗、肌肉疲劳等因素的干扰，需要反复标定。”张世武说，语音识别技术可以支持患者直接与灵巧手“对话”，将运动意图通过语音输入到灵巧手中。这种方式操作简单、普适性强，极适用于在截肢患者中普及。
在临床测试中，一名60岁女性截肢患者仅用半天时间便熟练掌握该假肢灵巧手的使用，成功完成了抓握、翻书、系扣等日常生活常见操作。
值得一提的是，该假肢灵巧手还展现了操作剪刀、使用手机以及复杂手语手势的能力，精准复现了传统的33种人手抓握动作。此外，为提高假肢灵巧手的灵活性，研究团队又增加了6种更高难度的抓握动作，比如抓握乒乓球拍、夹取棋子等。
提升性能和使用体验
中国科大特任副研究员、论文第一作者杨浩介绍，这款假肢灵巧手的核心技术在于使用了高功重比形状记忆合金。“这是一种由温度诱发的智能材料。通电后，形状记忆合金将进行一个快速收缩的过程。这个过程类似于人体的肌肉，驱动灵巧手工作。形状记忆合金的功重比高，意味着相同质量下它能够产生比其他传统驱动器如电机更多的输出。”
此外，形状记忆合金质量轻，体积小，有利于集成。得益于此，研究团队设计出假肢手的结构，包括19自由度的手掌部分（手指和手腕）以及前臂部分。
进一步地，研究团队仿生设计出类肌腱传动系统，在手指及手腕内嵌入23组传感单元来实现关节精确运动控制，并集成包含冷却模块的38组阵列式形状记忆合金驱动器，实现了假肢灵巧手的19主动自由度运动。
杨浩表示，“接下来，我们将进一步提升假肢灵巧手的性能和使用体验。比如，集成高性能冷却系统的新一代形状记忆合金将有效提高假肢手的运动效率；高精度触觉传感皮肤将赋予假肢手更精细的操作能力。同时，团队正与中国科学技术大学第一附属医院合作，希望在更多上肢截肢患者群体中开展实验，收集数据提升患者体验感。”
未来，张世武憧憬假肢灵巧手能够在外观、力量、速度、灵活性上“比肩”人手，高效完成日常生活中的各种复杂手部任务，提高患者的生活质量，造福全球上千万上肢截肢患者。此外，他希望实现人形机器人的类人级别灵巧操作，帮助人形机器人走进千家万户。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56352-5
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