人的手具有23个自由度，虽然重量仅约为人体重量的1/150，但是其运动功能占全身运动功能一半以上（54%）。手的灵活度是体现人类以及人形机器人工作能力的关键指标。
中国科学技术大学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。它能复现人手级别的功能，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。
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自由与轻巧难以兼顾
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。
传统假肢灵巧手通常使用电机驱动，致使功率密度低，难以在自由度与重量之间达到理想的平衡状态。这使得患者在佩戴超过人手重量的灵巧手时感到严重不适。此外，自由度较低（通常少于10个）的灵巧手仅能实现有限的抓握动作，远不及人手的灵活性。这些原因导致接近一半的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。
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灵活堪比人手
研究团队以高功重比形状记忆合金（SMA）为人工肌肉驱动，仿生设计出类肌腱传动系统，放大SMA的驱动力，同时减小传动阻力。基于类肌腱分离传动特征，研究团队在手指及手腕内嵌入23组传感单元以实现关节精确运动控制。
该假肢灵巧手还集成了包含冷却模块的38组阵列式SMA驱动器，使其实现19自由度运动，完成的动作更加灵活、自然。
▲基于SMA人工肌肉驱动的高自由度轻质假肢灵巧手结构
得益于仿生设计方法和高度集成方法，该假肢灵巧手仅重0.37千克，具备人手级别的灵巧操作能力，可完成诸如梳头、写字、握手、递名片和下棋等日常精细操作任务，同时实现了佩戴舒适性、高自由度和精确可控。
高集成形状记忆合金还能确保假肢手的抓握能力，最大负载达2.5千克，满足患者日常所需。
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让假肢更“懂”患者
相比传统的易受出汗、肌肉疲劳等因素干扰且需要反复标定的肌电控制技术，语音识别技术允许患者直接将运动意图通过语音输入到假肢手中执行，操作简单、普适性强、性能稳定，极适于在截肢患者中普及。
通过与科大讯飞语音识别技术结合，研究团队让假肢灵巧手具备了简单、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。
在临床测试中，一名60岁女性截肢患者仅用半天便熟练掌握该假肢灵巧手的使用，成功完成了多项标准假肢手功能评估实验中的代表性任务，比如抓握、操作，以及翻书、系扣等日常生活常见操作。
▲假肢灵巧手的类人手势、抓握、操作功能及患者实验展示
值得一提的是，该假肢灵巧手还展现了操作剪刀、使用手机以及复杂的手语手势的能力，精准复现了传统的33种人手抓握动作，还可完成6种更高难度的新抓握动作，使用场景丰富。
高自由度假肢手的研发，为实现灵活性和可穿戴间理想平衡提供了有效的思路。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56352-5
来源：中国科学技术大学
责任编辑：王颖