神奇的仿生手臂（仿生手臂业界竞赛）

神奇的仿生手臂（仿生手臂业界竞赛）近几十年来，研究和开发新的人造手的压倒性重点是完善不同类型的抓握。市场上许多最昂贵的手都是通过可选择的无柄抓手的数量和种类来区分自己。我自己最喜欢的：来自奥托博克的iLimb，是我在2018年收到的，它有一个拳头形状的动力抓手，捏住的抓手，以及一个非常特殊的模式，拇指放在食指上，用于礼貌地递上自己的信用卡。我的21世纪肌电手似乎很了不起，直到我试着用它做一些日常工作，事实证明它比我简单地把它放在沙发上更麻烦，更费时。例如，我不能用它来拉门，而我可以用我的残肢来做这项工作。如果没有极其昂贵的电动手腕，我就不能把燕麦片从锅里倒进碗里。用很酷的仿生方式执行任务，尽管它模拟了拥有两只手的情况，但显然并不比用我的方式做事情要好，有时还需要借助我的腿和脚。功能或形式在我的有生之年，肌电手已经从爪状结构发展到了多手柄、可编程、解剖学上精确的人类手部模型，其中大多数耗资数万美元。记者们对这些复杂的、多爪的

布瑞特·杨手持她的Ottobock iLimb仿生手臂

在法国作家儒勒·凡尔纳1865年的小说《从地球到月球》中，虚构的巴尔的摩枪支俱乐部的成员，都是美国内战中的伤残老兵，不安地寻找新的敌人来征服。他们在战争中一直在创新新的、更致命的武器装备。战争结束时，这些自学成才的截肢者决定将他们的技能重新用于新的投射物：火箭船，"四个人中只有一条胳膊，六个人中只有两条腿"。

正如凡尔纳所理解的那样，美国内战（期间进行了60 000次截肢手术）开启了美国的现代假肢时代，这要归功于美国联邦政府资助和企业家假肢师申请的一波设计专利。两次世界大战巩固了美国和西欧的营利性假肢行业，而正在进行的反恐战争则帮助它在全球范围内成为价值60亿美元的产业。然而，最近的这种投资并不是因为军事冲突中截肢人数过多的结果。大约1500名美国士兵和300名英国士兵在伊拉克和阿富汗失去了肢体。普通人群中的肢体损失使这些数字相形见绌。仅在美国，就有超过200万人患有肢体缺失，每年有18. 5万人接受截肢手术。一个更小的群体：每年1500至4500名儿童天生就有肢体差异或缺失，这篇科技文章的作者也是其中之一。后面的内容会以第一人称"我" 来叙述当前人类辅助性假肢的发展情况。

今天，设计假肢的人往往是用心良苦的工程师，而不是截肢者本人。世界上的肉质残肢充当了这些设计师对高科技、超人的未来的梦想的储存库。我知道这一点，因为在我的一生中，我被安装了一些市场上最先进的假肢设备。在出生时缺少左前臂后，我是美国第一批安装肌电假手的婴儿之一，这种电子设备由佩戴者的肌肉对假体插座内的传感器进行拉伸控制。从那时起，我戴上了各种各样的假手，每一个假手都在努力实现对人类手部的完美保真--有时以美学为代价，有时以功能为代价，但总是旨在模仿和替代缺失的东西。

在我的有生之年，肌电手已经从爪状结构发展到了多手柄、可编程、解剖学上精确的人类手部模型，其中大多数耗资数万美元。记者们对这些复杂的、多爪的 "仿生 "手爱不释手，它们有着栩栩如生的硅胶表皮和有机的运动，其不言而喻的承诺是残疾将很快消失，任何失去的肢体或器官都将被一个同样有能力的复制品取代。假体手的创新被当作一场高风险的比赛，看看什么是技术上的可能性。假肢初创公司原子四肢（Atom Limbs）的首席执行官泰勒·海斯（Tyler Hayes）在WeFunder视频中这样说，他帮助从投资者那里筹集了720万美元。"历史上的每一次登月都是从相当多的疯狂开始的，从电力到太空旅行，四肢（Atom Limbs）公司也不例外。"

我们陷入了一场仿生手的军备竞赛。但我们是否取得了真正的进展？现在是时候问一问假肢到底是为谁准备的，以及我们希望它们能真正实现什么。每一个新的多锯齿仿生手往往更复杂，但也比上一个更昂贵，更不可能被保险覆盖（甚至部分）。正如最近的研究得出的结论，更简单、更便宜的假肢设备同样可以完成许多任务，而花哨的仿生手，尽管有各种电子选项，却很少用于抓取。

活动臂，如这个由假肢公司Arm Dynamics制造的活动臂，比仿生假肢更便宜、更耐用。假肢设备公司德州辅助设备（Texas Assistive Devices）公司的附件可以承受很重的重量，使作者能够进行练习，而使用更昂贵的iLimb仿生臂则会有风险或不可能。

功能或形式

近几十年来，研究和开发新的人造手的压倒性重点是完善不同类型的抓握。市场上许多最昂贵的手都是通过可选择的无柄抓手的数量和种类来区分自己。我自己最喜欢的：来自奥托博克的iLimb，是我在2018年收到的，它有一个拳头形状的动力抓手，捏住的抓手，以及一个非常特殊的模式，拇指放在食指上，用于礼貌地递上自己的信用卡。我的21世纪肌电手似乎很了不起，直到我试着用它做一些日常工作，事实证明它比我简单地把它放在沙发上更麻烦，更费时。例如，我不能用它来拉门，而我可以用我的残肢来做这项工作。如果没有极其昂贵的电动手腕，我就不能把燕麦片从锅里倒进碗里。用很酷的仿生方式执行任务，尽管它模拟了拥有两只手的情况，但显然并不比用我的方式做事情要好，有时还需要借助我的腿和脚。

当我第一次与英国伦敦帝国学院机器人和机器学习讲师阿德·斯皮尔斯交谈时，在他的办公室里已是深夜，但他对机器人的手仍然兴致勃勃，这是他目前的研究重点。斯皮尔斯说，从今天的假肢的现实到科幻和动漫的幻想，拟人化的机器人手是无法避免的。"在我在这里的第一次讲座中，我展示了电影和动画片的片段，以及电影制作者使机器人手看起来多么酷，"斯皮尔斯说。"在动画片《高达》中，有许多特写镜头，巨大的机器人手抓着巨大的枪等东西。但为什么要用人的手呢？为什么机器人不直接用枪做手？"。

霍斯默钩(左)，最初设计于1920年，是身体动力设计的终端设备，至今仍在使用。当把钉子钉进木头里的时候，一个锤子装置(右)可能比一个夹紧装置更有效。

现实世界中的假肢

为了了解假肢使用者是如何与他们的设备一起生活的，斯皮尔斯领导了一项研究，使用戴在参与者头上的摄像机来记录八个单边截肢或先天性肢体差异的人的日常行动。这项研究发表在去年的《IEEE医学机器人和仿生学期刊》上，包括几种肌电手以及身体动力系统，这些系统利用肩部、胸部和上臂的运动通过电缆传输来机械地操作假肢末端的抓手。这项研究是在斯皮尔斯是美国耶鲁大学GRAB实验室的研究科学家时进行的，该实验室由艾伦·多拉尔（Aaron Dollar）领导。除了多拉尔之外，他还与研究生吉莉安·科克伦（Jillian Cochran）密切合作，后者是这项研究的共同作者。

在观看研究的原始录像时，我对这些匿名的假肢使用者感到既悲伤又友爱。这些片段显示了即使是非常有经验的假肢使用者也熟悉的笨拙、计算错误和意外跌落。通常情况下，假肢只是帮助支撑身体的物体，以便由另一只手来处理。同样明显的是，人们花了多少时间来准备他们的肌电假肢来执行一项任务，经常需要额外的几秒钟来手动或电子地旋转他们的设备的手腕，把物体排成一排，以便恰到好处地抓住它，并研究出抓握的方法。

在这项研究中，平均只有19%的记录操作使用了假肢装置。总的来说，假肢主要用于非理解性操作，另一只 "完整 "的手做了大部分的抓取工作。该研究强调了那些使用非电动、身体动力假肢的人和使用肌电假肢的人之间在使用上的巨大差异。对于肘部以下截肢的身体动力假肢使用者来说，近80%的假肢使用是非抓握运动：推、压、拉、悬挂和稳定。对于肌电假肢使用者，该设备仅有40%的时间用于抓取。

更有说服力的是，使用非电动抓手或分体式钩子的身体动力使用者在执行任务时花费的时间明显少于使用更复杂假肢设备的使用者。斯皮尔斯和他的团队注意到，前者在家里做任务时的流畅性和速度。他们几乎能够立即使用他们的假手，甚至通过驱动此类系统的电缆体验直接的触觉反馈。研究还显示，肌电单抓设备和更高级的肌电多关节、多抓手在使用上没有什么区别，只是使用者倾向于避免用多抓手悬挂物体，似乎是出于对打破它们的恐惧。

"斯皮尔斯说："我们感觉到，拥有多爪肌电手的人对其使用是相当谨慎的。这也难怪，因为大多数肌电手的价格都在2万美元以上，很少得到保险的批准，需要频繁的专业支持来改变抓握模式和其他设置，并且有昂贵和漫长的维修过程。随着假肢技术变得更加复杂和专有，长期的可维修性也越来越受到关注。理想情况下，该设备应该很容易被用户修复。而一些假肢初创公司却在推销一种订阅模式，即用户继续为获得维修和支持而付费。

尽管他的研究得出了结论，但斯皮尔斯说，绝大多数的假肢研发仍然集中在改进昂贵的高科技仿生手的抓握模式上。他说，即使在假肢之外，非人类灵长类动物研究和机器人学的操纵研究也绝大部分是关于抓握的。"任何不具备抓握能力的东西都会被扔掉"。

TRS为不同的爱好和运动制作了各种各样的身体动力假肢附件。每个附件专门用于特定的任务，并且可以很容易地将它们交换为各种活动。

对历史的抓取

如果我们已经决定，使我们成为人类的是我们的手，而使手独特的是它的抓握能力，那么我们唯一的假肢蓝图就是附着在大多数人的手腕上。然而，追求最终的五位数抓握能力并不一定是合乎逻辑的下一步。事实上，历史表明，人们并不总是执着于完美地重新创造人类的手。

正如2001年的论文集《用手写字：早期现代欧洲的记忆和知识》中讲述的，关于手的想法在几个世纪里不断演变。亚里士多德在《论生命》中写道："灵魂就像手；因为手是工具的工具。"他推断，人类被刻意赋予了灵活而有弹性的手，因为只有我们独特的大脑才能利用它不是作为单纯的工具，而是作为理解或 "把握"世界的工具，无论是字面意义还是形象意义上。

1000多年后，亚里士多德的思想在文艺复兴时期的艺术家和思想家中产生了共鸣。对达·芬奇来说，手是大脑与世界的中介，他在解剖和插图中不遗余力地了解人的手的主要组成部分。他对前臂和手的肌腱和肌肉的细致研究使他得出结论："尽管人类的聪明才智做出了各种发明，但它永远不会发现比大自然更美丽、更合适或更直接的发明，因为在她的发明中没有任何东西是缺乏的，没有任何东西是多余的"。

达芬奇的插图掀起了对人体解剖学的兴趣浪潮。然而，尽管欧洲大师们对人类的手进行了研究性的渲染，但手更多地被视为一种灵感，而不是一个可以被凡人复制的对象。事实上，人们普遍认为，人的手的复杂性证明了上天的设计。英国基督教哲学家威廉·佩利（William Paley）宣称，没有任何机器比手的屈肌 "更加人工化，或者更加明显地人工化"，这表明是上天的精心设计。

用特别的仿生方式执行任务，即使它模仿了拥有两只手，也不明显比用我的方式做事要好，有时还要借助我的腿和脚。

到了17世纪中期，随着全球北方的工业革命，一种更加机械化的世界观开始出现，生物和机器之间的界限开始变得模糊。美国斯坦福大学历史学教授杰西卡·里斯金（Jessica Riskin）在她2003年的文章《十八世纪的湿器》中写道："1730年代到1790年代之间是一个模拟的时期，机械师们认真地试图缩小有生命的机械和人工机械之间的差距"。这一时期，假肢的设计发生了重大变化。16世纪的机械假肢被铁和弹簧压得很重，而1732年的一个身体动力假肢使用滑轮系统来弯曲一只轻质铜制的手。到了18世纪末，金属被皮革、羊皮纸和软木所取代--这些更柔软的材料模仿了生命的东西。

瑞士苏黎世法医研究所的法医和截肢者沃尔夫·施韦策说，20世纪初的技术乐观主义带来了假体设计的另一个变化。他拥有各种各样的当代假肢，并有必要的经验来测试它们。他指出，解剖学上正确的假手已经被雕刻和锻造了两千年之久。然而，他说，20世纪的人体动力劈叉钩 "更现代"，其设计更愿意打破人类手部的模式。

"身体供电的手臂就其象征意义而言仍然表达了20世纪20年代工业社会的人机象征意义，"施韦策在他的假肢博客中写道，"当时人要在生产线上或农业中发挥钟表齿轮的作用。" 在20世纪20年代霍斯默钩的原始设计中，钩子内部有一个环是专门用来系鞋带的，另一个是专门用来装香烟的。斯皮尔斯告诉我，这些设计是 令人难以置信的功能性，功能大于形式。所有的作品都有一个特定的目的"。

施韦策认为，随着20世纪对体力劳动的需求减少，功能强但不自然的假肢被一种新的高科技未来愿景所取代。"仿生 "手。2006年，美国国防部高级研究计划局启动了 "革新假肢 "的研究计划，以开发具有 "近乎自然 "控制能力的下一代假手。这项耗资1亿美元的计划产生了两个多关节假肢（一个用于研究，另一个价格超过50 000美元）。更重要的是，它影响了其他类似假肢的创造，确立了仿生手，如美国国防部想象的那样：仿生手是假肢的圣杯。今天，多爪仿生手是霸权主义的，是机械人整体性的象征。

然而，一些假肢开发商正在追求一个不同的愿景。位于美国科罗拉多州博尔德的TRS公司是为数不多的特定活动假肢制造商之一，这些假肢通常比机器人假肢更耐用，经济上更容易获得。这些塑料和硅胶附件，包括用于俯卧撑的柔软的蘑菇状装置，用于举重的棘轮夹，以及用于游泳的凹形鳍，帮助我体验到了我从假肢上获得的最大功能。

这种低技术含量的活动假肢和身体动力假肢的性能好得惊人，而成本却只有仿生手的一小部分。它们的外观和行为都不像人类的手，而它们的功能却因此而更加完善。据施韦策说，身体动力假肢经常被工程师们认为是 "神秘的"，或者被嘲笑地称为 "胡克船长"。未来的仿生肩部和肘部可能会给缺胳膊少腿的人的生活带来巨大的变化，前提是这些设备能够做到坚固耐用且价格合理。但是对于施韦策和大部分对肌电假肢不满意的用户来说，假肢行业还没有提供比身体动力假肢更好或更便宜的东西。

我们想要的突破

仿生手试图使残疾人成为 "完整的人"，让我们参与到一个文化上属于双手的世界中。但是，让我们过上我们想要的生活，获得我们需要的工具，比让我们看起来和其他人一样更重要。虽然许多肢体不同的人已经使用仿生手与世界互动并表达自己，但长达几个世纪的完善仿生手的努力很少以我们的生活经验和我们想在生活中做什么为中心。

在过去的100年中，我们一直被承诺在假肢技术方面取得突破。我想起了围绕实验室培植的肉的科学兴奋，这似乎同时是一个爆炸性的转变和智力投降的标志，在这种情况下，政治和文化的变化被忽略，这有利于技术的解决。由于假肢世界中的人物：医生、保险公司、工程师、假肢制造商和军队。这些相关方几十年来一直扮演着同样的角色，几乎不可能产生真正的革命性的东西。

与此同时，这场比喻为奔向月球的竞赛是一项忘记了其最初关注点的任务：帮助残疾人获得和使用他们想要的工具。现在有一些廉价的、可获得的、低技术含量的假肢，需要投资于创新，以进一步降低成本和改善功能。而至少在美国，有一个破碎的保险系统需要修复。将我们自己从仿生手的军备竞赛中解放出来，可以开辟出更多功能设计的可能性，这些设计更有用，更实惠，并可能帮助我们将假肢的愿望带回现实。