残缺的右前臂嵌入一只机械臂中，再用这只机械臂快速完成提重物、抓纸片、摞杯子、绕铁环、盲盒取物等动作，而且不能有失误……
在刚刚结束的第三届全球辅助技术奥运会（又称“半机械人仿生奥运会”）上，来自苏州的参赛残疾人选手徐敏经过两天三轮的预赛、决赛比拼，最终以90分的优异成绩战胜法国队和意大利队，荣获大赛“上肢义肢”组冠军。
与徐敏“并肩作战”的，是东南大学和中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的“90后”科研团队。他们通过增强义肢的运动可靠性、负载能力、灵巧性，让徐敏力克对手夺冠。
据介绍，“全球辅助技术奥运会”，是由瑞士苏黎世联邦理工学院创立的非营利性项目，主要针对残障人士与先进科技辅助设备结合的一项独特的国际性赛事。参赛者使用辅助性的机械动力装置来完成比赛，他们更像是操纵动力装置的驾驶员而非运动员，目的是促进帮助残障人士的技术发展和加速产业化，让更多残障人士受益于科技进步带来的便利。
此次大赛中，上肢义肢组是该项赛事中竞争最为激烈的组别之一。选手们要一次性完成义肢提重物、双臂协作、精细物体抓取、盲盒抓取等10个义肢操作任务，以任务完成数量和完成时间判定成绩。
代表中国出征的上肢义肢团队共7人组成，除了参赛选手徐敏，其中有5位科研人员均来自东南大学机器人传感与控制技术研究所宋爱国教授团队，并由中国科学院苏州医工所青年博士后胡旭晖带队。
1992年，仅有17岁的徐敏在电扇厂里上班时，被60吨的液压冲床压断了右小臂，从此落下残疾，只能学着用左手练习吃饭、写字、搬东西……后来，徐敏所在的工厂倒闭了，她又因为残疾找工作屡屡受挫。2003年，徐敏开始创业，做过房产中介也开过超市。2008年，她又开起了饭店。2017年，交规修订后放开了单侧手掌缺失残疾人的驾驶许可，徐敏马上去考了一个C5驾照，虽然她只能驾驶经过专门机构改装过的车。
2019年，徐敏从苏州市残联了解到有一个“神奇”的装置需要受试者，后来经工作人员介绍，她认识了正在寻找假肢受试者的胡旭晖。这个叫胡旭辉的苏州男孩，在徐敏失去右前臂的时候还没出生。当时他正在东南大学读博士，师从宋爱国教授研究机械手。他去残联的活动，是想得到残疾朋友的“一手信息”。
就这样徐敏成了胡旭辉的科研合作伙伴。2022年，胡旭辉从东南大学毕业，去了中科院苏州生物医学工程技术研究所工作。在那里，他继续和宋爱国教授合作进行人机交互机械手的研究。徐敏的右手，换了又换。
胡旭晖说：“我当时正在设计制作一款‘智能手’，这款‘智能手’可以初步实现正常手臂的作用，所以就邀请徐敏来试戴。为了让她戴得舒服，我不断地调整‘智能手’的细节。”胡旭晖介绍，这款“智能手”使用了3D打印技术，连接假肢结构件与假肢接受腔的零部件通过3D打印而成，这样一来，整个“智能手”的重量很轻，也大大减轻了残疾人的佩戴负担。“这款‘智能手’的控制精度如人手般灵活，能同步快速控制手和腕两个关节。”胡旭晖说。
“参加这样的比赛一直是我的目标，这项比赛在国际上很有影响力。”胡旭晖说。一直以来，胡旭晖非常希望通过本次比赛向世界展示中国助残康复机器人领域的前沿成果，以及我国残疾人康复事业取得的成绩。同时能够对标全球助残康复最新技术和产品，学习先进，取长补短，进一步推动我国新一代康复产品的自主研发、推广运用和升级换代，造福残疾人。
那么，义肢是如何与人体配合，以尽可能短的时间完成尽可能多的动作的呢？
“人在做出某个动作前，是先由大脑感知周围环境，随后产生脑电波。脑电波沿着脊髓神经传输出去，当传递到前臂时，肌电信号就会控制肌肉收缩，继而驱动动作产生。要让残疾人灵活使用义肢，就需要帮助他们做好肌电的解码和识别。”宋爱国解释，研发团队将选手的前臂断肢的皮肤上贴了一对电极片，由它来解读、识别残肢肌电信号，再将其与义肢相连，驱动义肢运动。
比赛中，残疾人选手将操纵义肢手抓取多种物体，但由于残疾人控制义肢的信号源非常有限，确保手指、手腕的可靠运动成为了需要攻克的问题。
胡旭晖介绍道：“我们为徐敏量身定制了穿戴式肩带，肩带内有拉伸传感器，可以监测徐敏弓背时的肩膀运动状态。传感器通过监测肩部位移信号，与残肢端获取的肌电信号协同，控制手指的开合角度以及手腕关节的旋转角度。弓背角度越大，肩部的位移量越大，手指开合度越大。反之亦然。”
比赛中，选手要抓取的物体、完成的动作差异很大，有时要能精细地拧灯泡、反转手腕摞杯子，有时要能提矿泉水瓶、握榔头、拎水壶。
那如何控制“手”上的力道？宋爱国介绍：“团队在义肢的手指上植入了力触觉传感器，用它来检测抓取物体时，义肢抓取力的大小和力的分布，可以通过震动刺激将信号传给手臂。如果抓取力越大，震动刺激就越强烈，选手就可以根据震动强度，决定要施加多大的力。”
比赛中的动作虽然都来自日常生活，但抓取一些精细的动作或者特殊的物体，对于上肢残疾人群来说仍有挑战。对此，团队因地制宜地设计义肢，让它们更灵活、稳定。
“例如，我们在义肢手指上设置了4个不同的抓取区。第一个功能区做得尽量水平，以便抓取纸片、药匙这些平直物体，第二个功能区做成内嵌的圆弧状，以便能握住榔头、瓶子等物质，第三个功能区做成半球面，可以抓珠子等圆形物体，第四个功能区设置在手指的两个关节处，便于做拎水壶等负重动作时固定物体位置。”胡旭晖说。
胡旭晖介绍，比赛中有一个项目类似“开盲盒”，要让义肢穿过遮挡的毛刷，在肉眼看不见物体的情况下抓取硬度不同的圆柱体。为了让义肢拥有眼睛，团队在义肢手指中安装了摄像头，通过视觉识别技术，将捕捉到的图像信号转化为光信号，辅助徐敏完成了抓取，也让她成为所有参赛团队中唯一完成这项任务的选手。
（观察者网综合紫牛新闻、科技日报、苏州日报等）
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