科学家研制机器仿真手：韧带肌腱一应俱全

　　新浪科技讯 北京时间2月22日消息，从受到蝴蝶翅膀启发而发明的透镜，到以俯冲的鸟儿为原型设计出的无人机，大自然向来是人类工程师的灵感之源。研究人员近日研发出了一款新型机器手，这是目前最接近真实人手的产品，可以模拟出我们双手的一举一动。

　　有了这款仿生设计产品，也许有一天，我们真的能制造出可以以假乱真的机器假肢，就像星战中卢克·天行者的电子手一样。

　　西雅图华盛顿大学的Zhe Xu和伊曼纽尔·托多洛夫（Emanuel Todorov）设计了这款新型机器手，“手”上还以人手的生物特征为基础，安装了关节和滑轮。

　　他们在研究报告中写道，他们研发了一款仿生机器手，精确地模仿了人手的各个部分，安装了人造的关节腔、韧带和肌腱、用激光切割出的伸肌腱帽，还有具有弹性的滑轮组。

　　此前的仿真机器手通常使用铰链来简化人手的构造，这样一来，机器手的动作就会不自然，无法像真正的人手一样灵巧。

　　“机器手采用的机械力学和人手的生物力学本来就不匹配，这是我们难以用人手的动作直接控制机器手的根本原因。”他们在研究中写道。

　　于是这两名研究人员从零开始，立志攻克这一问题。最终，他们成功发明了一款在力学上与人手十分相似的机械手。

　　他们先是扫描了人类手部的骨骼，用3D打印将骨头打印出来，并以此复制出各式各样的关节。然后他们将这些人造的“骨头”与关节连在一起，而这些关节的动作范围和僵硬程度都和人手十分接近。

　　“我们的机器手独特地保留了人手的生物力学特征。”他们在报告中写道。

　　人手的韧带能够固定关节、控制关节的运动范围。而在机器手中，研究人员利用了强韧的光谱纤维来代替天然的韧带。光谱纤维是世界上最强韧、质量最轻的纤维之一，强度是钢铁的15倍。

　　此外，研究人员利用胶皮来取代软组织。负责控制手指屈伸的筋腱则由光谱纤维和胶皮共同制成。这几层组织包裹在人造的指骨外面，用来控制手部的灵活度。研究人员还利用了伺服电机来模仿肌肉的作用。

　　这些仿生特征加在一起，我们便可以用waldo遥控器控制机器手，让它像人手一样抓取物件。它可以像真正的人手一样，在手中把玩球、光盘或瓶子之类的物体。

　　这款机器手可以启发我们研制出更加自然的假肢，甚至能帮助我们展开“3D支架用于肢体再生的研究”。

　　该研究说明，对假肢的控制依赖于人类的大脑，因此这些受人脑控制的假肢与真正的人手越接近，它们也就越有效。

　　“我们现在可以通过打印生物兼容材料做出骨架，使用可生物降解的人造韧带来取代断裂的天然韧带，在培养皿中培养出人体肌肉，甚至在合适的条件下，我们还能制造出外围神经。”

　　“而这些技术都需要合适的支架，供移植上去的细胞生长。”

　　“我们准备与生物界和组织工程届的研究人员合作，共同探索它（机器手）在用作生物制造设备或支架方面的潜力。”

　　Xu和托多洛夫将于今年五月在斯德哥尔摩举办的国际机器人与自动化大会（ICRA）上介绍自己的研究结果。

　　仿生手都包含哪些部分

　　骨头和关节：人手由四根手指和一根大拇指组成，包括8块腕骨在内，总共包含27块骨头。研究人员使用3D打印机做出了人造骨头。

　　关节韧带：每根手指的动作范围都受到韧带长度的限制。韧带是一种致密的结缔组织。研究人员将强韧的光谱纤维编织在一起，制成人造“韧带”，并用胶皮来代替软组织。

　　腱：人手的骨头和肌肉之间有两组肌腱。一组负责将手指伸直，名叫伸肌腱；还有一组负责让手指弯曲，名叫屈肌腱。研究人员使用光谱纤维和胶皮，以组合光缆的方式将它们组合在一起，以代替肌腱的作用。

　　肌肉：研究人员用10台伺服电机代替大块肌肉，让机器手动起来。

　　“我们使用了2台电机，通过差动皮带轮来控制无名指和小拇指的屈伸。”

　　腱帽：伸肌腱帽是一处薄而复杂的、由骨胶原形成的网状结构，直接包裹在手指周围。研究人员将弹性的橡胶带连在手指的骨骼上，以此起到伸肌腱帽的作用。（叶子）