机器人技术取得突破，先进假手可模仿人类触觉

机器人技术领域的一项最新突破可以帮助截肢者恢复部分丧失的能力。这种新型假手设计将多层传感器与混合机器人结构和机器学习算法结合在一起，通过读取神经形态编码信号来实现类似人类的能力。以下是您需要了解的信息。

抓握的科学

当你伸手捡起东西时，可能会觉得它是自动发生的。但实际上，这个看似简单的动作，却是数百万个皮肤机械感受器、软组织、骨骼、关节和大脑之间的复杂互动。

您的手部有四个主要的触觉机械感受器，分别称为梅克尔细胞、梅斯纳细胞、鲁菲尼末梢和帕西尼细胞。皮肤外层的梅克尔细胞可对轻触做出反应。

接着，迈斯纳神经末梢（Meissner corpuscles）感知低频。接着是 Ruffini 末梢，它们能确定表面的变形。最后一层是帕氏体，用于检测压力和高频振动。

正是这种由传感器、骨骼和组织组成的混合物，让人类能够轻松快速地感知各种复杂的表面。值得注意的是，这种结构能让你在拿起鸡蛋时不会打碎它，或者让你注意到从自动售货机订购的纸杯热可可开始滑落。

复制人类手柄的问题

人们曾多次尝试制造与人类肢体具有相同多功能性的机器手。然而，由于种种原因，迄今为止所有尝试都没有成功。不过，取得最佳效果的尝试都是利用软体机器人技术。

软体机器人与传统的机器人不同，它们没有坚硬的结构。这些设备在救灾和矿产勘探等各种任务中的应用越来越广泛，其不规则的设计使它们能够改变形状，以适应狭小的空间。遗憾的是，正是由于缺乏刚性，软体机器人在复制人类肢体方面也存在不足。

首先，为柔性软体机器人添加的每一个传感器都会损害其主要能力--灵活性。此外，这些系统大多只能感知触摸的发生。这种方法与每次触摸物品时大脑处理的大量感知数据相去甚远。

研究详情

认识到这些局限性后，佛罗里达大西洋大学和其他顶尖机构的一组科学家发表了"...... "研究报告。具有神经形态触觉传感功能的天然仿生假手，可实现精确、顺应性抓取"¹ 科学进展》上发表。该论文研究了一种新型混合假手设计，它利用了柔软的机器人关节、刚性内骨骼和多层传感器系统。

手工设计

工程师们创造了一种新的仿人手设计。多指系统使用类橡胶聚合物制造手指和对生拇指。该设计利用柔软、充满空气的手指关节，通过肌电图与前臂肌肉共同驱动。这种方法可以让佩戴者像控制自己的手一样控制它。

来源 - 科学进展

混合仿生手指

混合生物识别手指设计集成了三个独立驱动的软机器人关节。这些关节由 Dragon Skin 10 硅胶制成，可模拟人类皮肤。手指上有 14 个可独立驱动的关节，就像你的手一样，每个主要手指上有 3 个关节，拇指上有 2 个关节。

科学家选择利用气动网络来驱动混合手指关节。具体来说，致动器对空气进行加压，使其膨胀，从而使其相应地移动。这种策略无需额外的电机和致动器，从而降低了成本和重量。

与传统的软体机器人方案相比，具有刚性内骨骼的软体致动器的类人配置可提供更大的力。因此，他们确定，加压致动器可以直接向被操纵物体传递力，使其能够向特定区域提供精确的压力，从而在不损坏的情况下操纵物体。

假手指尖

柔软的硅胶指尖上有一个多层触觉传感器阵列，可以感知压力和高频率。它是手部最敏感的部位，与其他传感器相连，能深入解读环境和要操控的物体。和你一样，机器人也能用指尖划过物体表面，从而判断出物体的构造和处理方式。

骨架

这种方法的核心是认为混合设计包含了一种刚性的 3D 打印刚性内骨骼结构。工程师使用的骨架是利用聚乳酸（PLA）开发的。它为手部的核心部件提供稳定性、力倍增和支撑。

传感器

科学家们发现，他们只需要复制三层触觉传感器，就能实现接近人类的性能。他们的布局为系统实时提供了可靠的触觉反馈，使其能够做出复杂的决定，确定成功操控物品的成分、所需的力和方法。

外层 外层传感器的设计与您的表皮一样。您的皮肤可以察觉到最轻微的触感。为了完成这项任务，研究小组在混合指尖表面集成了一个外压阻传感层。这一层集成了九个触觉传感器。每个传感器的总大小仅为 4 平方毫米，间距为 2.5 毫米，可全面覆盖指尖。

中层 中间的传感区域就像人体内的拉菲尼末梢一样。为了完成这一任务，研究小组嵌入了压阻传感层。值得注意的是，压阻传感器在受到外力时会改变电阻。

有趣的是，这一层有 6 个传感器，面积为 6 平方毫米。研究小组将这些传感器间隔 2.5 毫米，并以偏移的方式放置在传感器外层，以提高战术接收能力。

内层 工程师们设计的手部内层能够像帕西尼氏体一样工作，探测来自环境的高频振动和瞬时压力。它的构造是在指甲上安装一个 10 毫米的压电传感器。具体来说，它位于混合指尖的软质和硬质部件之间。

只要检测到力，它就会产生一个小电压，使系统能够进行调整，并确定操纵物体的最佳方式。此外，它还利用坚硬的指甲来捕捉表面的振动。

机器学习算法

所有这些数据都会被送入一个 ML 算法，该算法会对数据进行收集、处理和神经形态编码，然后将其发送回机器人附属装置。 该系统可利用神经形态响应及其专有的机器学习算法对纹理进行分类。

有趣的是，该系统利用 Izhikevich 神经元模型框架，对与人类皮肤机械感受器相关的数据进行了神经形态编码。这种策略使该装置能够通过神经刺激提供自然的触觉信息，这在混合机器人技术中尚属首次。

机器手知道自己在触摸什么

这种策略能让机械臂确定它所接触的物体。这些信号可以连接大脑和神经，让佩戴者轻松分辨出各种形状和表面纹理的物体。

假手测试

假手测试从单个手指开始。每个手指都接受了测试，每个感觉层都接受了评估。一旦团队确定所有装置都能按计划独立运行，就将它们组合在一起，开始下一阶段的测试。

作为研究测试阶段的一部分，工程师们将手连接到 UR5 机械臂上。随后，团队开始尝试操纵物品。总共选择了 15 件日常用品。测试的物品从菠萝、金属水瓶、软体玩具一直到装满水的纸杯。

结果和意见

测试结果表明，这项技术大有可为。通过测试，我们可以了解这项技术的能力。在灵活性方面，混合仿生手指实现了 127° 的弯曲度和 230° 的屈曲角度，且没有任何故障点。

此外，机械臂还显示出了多功能性，能够随时调整抓握方式。有一次，它只用了三根手指就抓住了一个纸杯，避免了纸杯弯曲和水打翻。令人印象深刻的是，机械臂的传感器根据触感对物品进行分类的准确率高达 98.38%。这一准确率超过了软体机器人手指和硬体假肢手指，达到了与人类相同的准确性。

研究结果的益处

这项研究给市场带来的益处可能会使机器人技术变得更好。这里展示的混合技术有助于提高机器人和员工并肩工作环境的安全性。试想一下，当你与机器人同事发生碰撞时，他们会立即拉开距离并向你道歉。

提高灵活性

与前代机器人相比，升级后的义肢显示出高度的灵活性。它可以完成软体和硬体机器人都无法完成的任务。在一个例子中，它的任务是抓住一个球，使其与球保持一致。它完成了这项任务，而这对于刚性假肢来说是不可能的。

更多自然

这种假肢的另一个主要优点是病人感觉更自然。上肢缺失患者可能会因为害怕假肢造成伤害或损伤而无法重新融入正常的工作中。这种技术有望让他们安全地与亲人互动，而不必担心伤害他们。

假手研究人员

假手研究由佛罗里达大西洋大学的程文玉领导。其他参与该项目的研究人员包括伊利诺伊大学芝加哥分校的张景华、Ariel Slepyan、Mark M. Iskarous、Rebecca J. Greene、Rene DeBrabander、陈俊军和Arnav Gupta。

有趣的是，也是这个团队在 2018 年率先将电子皮肤引入机器人领域。现在，他们在这项技术的基础上，进一步创造出了能够提供人体性能的假肢。他们的计划包括通过集成更多的传感器、更好的材料和更大的抓取力来进一步完善他们的系统。

假手技术的实际应用和时间表

这一进步为上肢缺失者带来了巨大的希望，使他们能够更自然、更安全地与周围环境进行互动。未来的假肢可以集成这项技术，并提供栩栩如生的反应。同样的技术还能帮助改进手术机器人。

虽然这种假肢技术目前还处于研究阶段，但根据进一步的开发和监管部门的批准，在未来 5 到 10 年内就可以投入商业使用。 以下是这种软机器人 Gip 技术在现实世界中的其他一些应用。

工业

在过去 5 年中，工业部门已开始大力转向机器人技术。这项最新技术将有助于进一步推动机器人的应用。制造商一直在寻找将机器人技术与人类工人相结合的方法，以便在不降低质量的前提下提高效率。

像本研究中讨论的这种混合机器人功能可以与人类并肩工作，风险更小。它们还能完成传统上只有人类才能完成的任务，如分拣易碎水果或玻璃器皿等产品，而不会造成损坏。

农业

农业是机器人的另一个应用领域。这些设备可以通过传感器帮助监测作物的健康状况，确保及时采摘成熟的作物，从而帮助提高收成。未来，软体机器人可以处理从种植到采摘，再到分拣好坏作物的大部分农耕过程。

引领机器人行业的创新公司

随着越来越多的公司和技术进入机器人行业，该行业持续蓬勃发展。机器人技术的前景一片光明，一些公司已经在市场上占据了有利地位。这些公司已投入数十亿美元，用于研发更灵活、能力更强、寿命更长的机器人。下面这家公司就是机器人技术的先驱。

Ekso Bionics 控股公司（纳斯达克股票代码：EKSO）

Ekso Bionics 控股公司 (EKSO +4.52%) 公司于 2005 年进入市场，致力于加强外骨骼技术和机器人康复设备领域的发展。自推出以来，该公司已获得多项高级合同，重点进一步开发其外骨骼产品。

外骨骼是人类穿戴的机器人。它们的设计旨在补充和增强你的运动能力。因此，它们可用于工厂，帮助防止疲劳；也可用于战场，为士兵提供更大的运载能力。

Ekso Holdings 提供多种创新解决方案，旨在改善肢体缺失患者的生活质量。这些产品，加上其定位和市场历史，使 Ekso Bionics Holdings 成为您投资组合中的明智之选。

关于 Ekso Bionics Holdings 的最新消息

假手研究与混合机器人技术的未来

这项研究表明，大自然可能已经为许多设计问题找到了最佳解决方案。随着越来越多的工程师寻求模仿自然，他们的机器人设计将迎来一个高效的新时代。这项技术有助于确保机器人能够安全地与人类并肩工作，并提供额外的服务，改善工人的生活和所交付的产品。

了解其他很酷的机器人技术突破 这里.

参考研究：

^{1.Sankar, S., Cheng, W.-Y., Zhang, J., Slepyan, A., Iskarous, M. M., Greene, R. J., DeBrabander, R., Chen, J., Gupta, A., & Thakor, N. V. (2025). 具有神经形态触觉传感功能的天然仿生假手，可实现精确、顺应性抓取. 科学进展》，第 11 期(10), EADR9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}