现代仿生假肢手在灵活度、自由度和功能方面几乎与天然手相当，然而令人意外的是，高达50%的上肢截肢患者在使用高级假肢手后最终选择放弃。这一现象引发了科学家们的深思，也促使犹他大学的研究团队开发出一种创新的AI假肢手协同控制系统，旨在解决假肢操控难这一核心问题。
假肢操控的困境
"我们的目标是让这类仿生手臂更加直观，使用户能够完成任务而无需刻意思考，"犹他大学电气与计算机工程师Jake George解释道。假肢手的主要问题在于缺乏自主性。天然手之所以能够轻松抓握纸杯而不压碎它，或在飞行中接住球，是因为我们依赖一套复杂的反射和反馈系统。当手中物体开始滑动时，指尖的机械感受器会在60-80毫秒内向神经系统发送信号，使手部收紧握力——这一过程在我们有意识地察觉之前就已经完成。
相比之下，大多数商用假肢手缺乏这种内置的自主反射机制，所有操作都必须由用户控制，这使得使用过程极其复杂。想象一下，需要精确调整27个主要关节的位置，并为天然手中20块肌肉中的每一块选择适当的发力方式，这种认知负担是巨大的。更不用说假肢手与用户之间的接口带宽通常有限，进一步加剧了操控难度。
传统控制方式的局限性
目前，大多数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执行器施加的力度。另一种相对自然的选择是使用肌电图(EMG)，通过剩余肌肉的电信号来命令假肢手执行动作。然而，这些方法都远非完美。
"要抓取物体，你必须伸手向它，收缩肌肉，然后有效地坐在那里，专注于保持肌肉处于完全相同的位置以维持抓握，"犹他大学研究员兼该研究的主要作者Marshall Trout解释道。这种持续的肌肉控制不仅消耗大量精力，还限制了用户同时执行其他任务的能力。
感知与抓握的创新设计
为了构建"直观"的假肢手，George、Trout及其同事首先为假肢配备了定制传感器。研究人员从商用假肢手入手，用包裹着硅胶的压力和接近传感器替换了指尖。这一设计使假肢手能够检测何时接近物体，并精确测量握持物体所需的力度，既不会压碎它，也不会让它滑落。
"我们将手保持静止，来回移动，使指尖接触物体然后后退，"Trout描述了训练过程。通过无数次这种往复运动，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。
关键的创新之处在于AI能够独立控制每个手指。"这样我们实现了自然的抓握模式，"George解释道。"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。"
协同控制：人机共舞的新模式
虽然这种自主抓握技术之前已有研究，但该团队的新颖之处在于系统控制权的设计。早期研究依赖用户自主切换自主模式，而George和Trout的方法则专注于共享控制。
"这是一种机器帮助的微妙方式，"George解释道。"它不是自动驾驶汽车那样完全自主驾驶，也不是像助手那样在你未打转向灯时把你拉回车道。相反，系统在后台安静地工作，不会感觉像是在与用户对抗或接管控制。"
用户始终保持控制权，可以收紧或松开握力，或释放物体使其掉落。这种设计既保留了用户的自主权，又减轻了认知负担，实现了人机之间的和谐协作。
实验结果：性能显著提升
为了测试AI驱动假肢手的性能，团队邀请健全和截肢参与者操控易碎物体：拿起纸杯喝水，或从盘子中取出鸡蛋并将其放到别处。没有AI辅助时，他们大约10次尝试中只能成功1-2次。启用AI助手后，成功率跃升至80-90%。
更重要的是，AI还降低了参与者的认知负担，使他们能够更专注于任务本身，而非如何操作假肢手。这一结果对于提高假肢的接受度和使用频率具有重要意义，因为认知负担过重是导致用户放弃使用假肢的主要原因之一。
现实世界的挑战与未来展望
尽管实验室结果令人鼓舞，但研究团队清醒地认识到，将这一技术无缝集成到人体仍然面临挑战。
"下一步是将这个系统真正带入现实世界，让用户在家庭环境中使用它，"Trout表示。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，使用的都是团队特别选择或设计的物体和设置。
George谨慎地指出："我想在此说明，这只手不如自然完整的肢体那么灵巧或易于控制。"他认为，假肢技术的每一个小进步都截肢患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》中假肢与天然肢体相当甚至更好的技术水平，我们需要的不仅仅是渐进式的改进。
Trout认为，从机器人技术的角度来看，我们几乎已经达到了这一水平。"这些假肢确实非常灵巧，具有很高的自由度，"Trout说，"但没有好的控制方法。"这在一定程度上是由于将信息输入和输出用户本身的挑战。
"皮肤表面肌电图非常嘈杂，因此通过内部肌电图或使用神经植入物改进这种界面可以真正改善我们已有的算法，"Trout argued。这就是为什么团队目前正在开发神经接口技术并寻找行业合作伙伴的原因。
"目标是将所有这些方法整合到一个设备中，"George说。"我们希望与一家公司合作，开发一款带有神经接口的AI驱动机械手，并使其能够通过更大的临床试验推向市场。"
这项发表在《自然·通讯》上的研究，不仅代表了假肢技术的重要进步，也为AI与人体融合的未来指明了方向。随着神经接口技术的不断成熟，我们有理由相信，假肢手将不再是简单的替代品，而是能够与人体完美协作的智能伙伴。
