现代仿生假肢手在灵活性、自由度和功能方面几乎可以与天然肢体相媲美。然而，令人意外的是，许多尝试过高级假肢手的截肢者并不喜欢它们。犹他大学的电气与计算机工程师杰克·乔治表示："高达50%的上肢截肢者会放弃使用这些假肢，并且永远不再使用。"这一现象背后隐藏着一个关键问题：控制难度。
控制困境：假肢手的最大障碍
乔治解释说，假肢手的主要问题在于难以控制。他们的目标是使这些仿生手臂更加直观，让用户能够完成任务而无需过多思考。为实现这一目标，他的团队开发了一种AI假肢手协同控制系统。
微观管理的挑战
假肢手的问题很大程度上源于其缺乏自主性。我们抓取纸杯而不将其压碎，或在半空中接住球，这些动作看似 effortless，是因为我们的自然运动依赖于一套复杂的反射和反馈系统。当你持有的物体开始滑动时，指尖的机械感受器会向神经系统发送信号，使手部收紧握力。这一切发生在60到80毫秒内——在你甚至意识到之前。这种反射只是大脑在基于灵巧性的任务中自动协助你的众多方式之一。
大多数商业上可用的假肢手没有这种内置的自主反射——一切都必须由用户控制，这使得它们的使用极其复杂。想象一下，你需要精确调整27个主要关节的位置，并为天然手中存在的20块肌肉选择适当的施力力度。这已经足够困难，而假肢手与用户之间的接口带宽通常有限，更是雪上加霜。
在大多数情况下，用户通过应用程序控制假肢手，可以选择预设的抓握类型并调整各种致动器施加的力度。稍微自然一点的替代方案是肌电控制，即通过剩余肌肉的电信号来命令假肢手执行动作。但这同样远非完美。犹他大学研究员、该研究的主要作者马歇尔·特劳特解释道："要抓取物体，你必须伸手向它，弯曲肌肉，然后有效地坐在那里，集中注意力保持肌肉处于完全相同的位置以维持抓握。"
感知握力：传感器技术的突破
为了构建"直观"的假肢手，乔治、特劳特及其同事首先为其配备了定制传感器。
研究人员从商业上可用的假肢手入手，用包裹着硅胶的压力和接近传感器替换其指尖。这使得假肢手能够检测何时接近物体，并精确测量握持所需的力度，既不会压碎物体也不会让其滑落。为了处理传感器收集的数据，团队构建了一个AI控制器，用于移动关节并调整握力。特劳特表示："我们让手保持静止，来回移动，使指尖接触物体，然后我们后退。"
通过无数次重复这些来回运动，团队收集了足够的训练数据，使AI能够识别各种物体并在不同抓握类型之间切换。AI还独立控制每个手指。乔治解释道："这样我们实现了自然的抓握模式。当你在假肢手前放置一个物体时，它会自然地贴合，每个手指都会做自己的事情。"
协同驾驶：人机共享控制的新模式
虽然这种自主抓握技术之前已经有过演示，但该团队应用的新颖之处在于决定系统的控制权分配。之前研究自主假肢的项目依赖于用户开关自主模式。相比之下，乔治和特劳特的方法专注于共享控制。
乔治表示："这是机器提供帮助的一种微妙方式。它不像自动驾驶汽车那样独自驾驶你，也不像助手在你转弯但没有打转向灯时将你拉回车道。相反，系统在后台安静地工作，感觉不像是在与用户对抗或接管控制。"
用户始终保持完全控制权，可以收紧或放松握力，或释放物体使其掉落。为了测试他们的人工智能驱动的手，团队邀请健全和截肢参与者操作易碎物体：拿起纸杯喝水，或从盘子里拿鸡蛋并将其放到别处。没有AI辅助时，他们大约10次尝试中能成功一两次。打开AI助手后，成功率跃升至80%至90%。AI还减轻了参与者的认知负担，意味着他们需要更少地专注于使手部工作。
走向现实：从实验室到日常生活
特劳特表示："下一步是将这个系统真正带入现实世界，让某人在家庭环境中使用它。"迄今为止，AI假肢手的性能是在受控的实验室条件下评估的，使用的是团队特别选择或设计的设置和物体。
乔治谨慎地表示："我想在这里说明的是，这只手的灵巧度或易控性不如天然完整的肢体。"他认为，我们在假肢方面的每一次小小进步都使截肢者能够在日常生活中完成更多任务。然而，要达到《星球大战》或《赛博朋克》技术水平的假肢，与天然肢体一样好甚至更好，我们需要的不只是渐进式的改变。
特劳特认为，从机器人技术角度来看，我们几乎已经到达那里。"这些假肢确实非常灵巧，具有很高的自由度，"特劳特说，"但没有好的控制方法。"这在一定程度上归因于向用户传递信息的挑战。皮肤表面肌电信号非常嘈杂，因此通过内部肌电或使用神经植入物改进这种接口可以真正改善我们已有的算法，特劳特 argued。这就是为什么团队目前正在研究神经接口技术并寻找行业合作伙伴的原因。
乔治表示："目标是在一个设备中结合所有这些方法。我们希望构建一个具有神经接口的AI驱动机械手，并与一家公司合作，将其带入更大规模的临床试验并推向市场。"
技术前景与挑战
这项AI假肢手协同控制系统的开发代表了假肢技术的重要进步。通过将人工智能与先进的传感器技术相结合，研究人员创造了一个能够理解用户意图并自动调整的系统，同时保持用户对最终决策的控制权。
技术融合的未来
未来的假肢技术将更加注重神经接口与AI的深度融合。通过直接连接到用户的神经系统，假肢将能够更准确地解读用户的意图，实现更自然的控制体验。同时，AI算法的进步将使假肢能够学习用户的习惯和偏好，提供个性化的辅助。
社会影响与伦理考量
随着假肢技术的进步，我们需要考虑其对社会的影响。更先进的假肢可能会缩小残障人士与健全人士之间的能力差距，但也可能引发关于"增强人类"的伦理讨论。此外，这些技术的可及性和成本也是需要解决的问题，确保所有需要的人都能受益于这些创新。
临床应用的扩展
这项技术的潜在应用不仅限于上肢假肢。类似的方法可以应用于下肢假肢、外骨骼和其他辅助设备，为各种残障人士提供更好的生活质量。随着技术的成熟和成本的降低，这些先进的辅助设备可能会变得更加普及，使更多人能够重新获得独立生活的能力。
结论：迈向人机共生的未来
犹他大学研究人员开发的AI假肢手协同控制系统代表了假肢技术的重要突破。通过结合先进的传感器技术和人工智能，该系统解决了传统假肢手控制困难的问题，显著提高了用户的使用体验和成功率。
这项技术的意义不仅在于技术本身的创新，更在于它为人机交互开辟了新的可能性。当机器能够理解并响应人类的需求，同时保持人类对决策的控制权时，我们迈向了一个更加和谐的人机共生未来。
随着神经接口技术的进步和AI算法的优化，我们可以期待假肢手将变得更加智能、更加自然，最终成为用户身体的自然延伸，而不是简单的替代品。这不仅将改变残障人士的生活，也将重新定义人类与机器的关系，为构建一个更加包容和高效的社会奠定基础。
