触觉反馈为假手增加了肌肉感觉
致力于为假肢增加“肌肉感觉”的工程师发现，皮肤上的触觉反馈使被蒙住眼睛的测试对象辨别假手抓住的物体大小的能力提高了一倍以上。结果将在下个月由赖斯大学，比萨大学和理工学院(IIT)的研究中心“ E.Piaggio”的研究人员在德国发表。
当测试对象从上臂上的简单皮肤拉伸设备接收到触觉反馈时，正确辨别用假手抓住的被抓物体的大小的可能性要大两倍。杰夫·菲特洛/莱斯大学照片
赖斯机械工程学教授玛西娅·奥马利(Marcia O'Malley)说：“即使人们看不见它们，他们对身体各部分的位置也有着天生的感觉。” “这种“肌肉感觉”使人们能够在键盘上打字，握住杯子，扔球，使用制动踏板以及执行无数其他日常任务。”
这种肌肉感觉的科学术语是本体感受，并且O'Malley的机电与触觉接口实验室(MAHI)多年来致力于开发使截肢者能够从人造肢体接收本体感受反馈的技术。
O'Malley及其同事在6月7日于德国Fürstenfeldbruck举行的2017年世界触觉大会上发表的一篇新论文中证明，有18位身体强健的测试对象在接受触觉反馈后，用假肢进行的尺寸辨别测试的表现明显更好从上臂的简单皮肤拉伸设备上获得。该研究是第一个测试假体与皮肤拉伸摇摆装置结合使用的本体感觉的研究，该研究成果被认为是入围大会最佳论文奖的入围者。
Rice Haptic Rocker使用旋转的手臂在手臂的皮肤上刷一块柔软的橡胶垫。假手闭合的次数越多，垫就越能刷皮肤。摄影：布兰登·马丁(Brandon Martin)/稻米大学
在，估计有170万人因肢体丧失而生活。传统的假体可以恢复某些日常功能，但很少能提供感官反馈。在很大程度上，今天的截肢者必须看到他们的假体才能正确操作它。
改进的计算机处理器，便宜的传感器，来自手机和其他电子设备的振动马达已经创造了新的可能性添加触觉反馈，也被称为触觉，假肢，和奥马利的实验室在这一领域具有超过十年进行的研究。
她说：“我们仅限于使用简单的抓手或复制被截肢者所经历的虚拟环境来测试触觉反馈，”她说。“去年，比萨和IIT的Antonio Bicchi研究小组的代表与我联系时，这种情况发生了变化，他们对使用我们的触觉反馈系统测试他们的假手感兴趣。”
在去年下半年开始的Rice实验中，Pisan研究生Edoardo Battaglia和Rice研究生Janelle Clark结合Pisa / IIT SoftHand测试了MAHI的Rice Haptic Rocker。他们测量了被蒙住眼睛的对象在有或没有本体感受反馈的情况下分辨被抓物体大小的能力。
神经科学的最新发现为比萨大学和技术学院的假手SoftHand的设计提供了灵感。杰夫·菲特洛/莱斯大学照片
尽管某些本体感受技术需要通过外科手术植入电极，但是Rice Haptic Rocker具有简单，无创的用户界面-旋转臂，可以在臂的皮肤上刷一块柔软的橡胶垫。静止时，当假手完全张开时，摇臂不会拉伸皮肤。当手闭合时，手臂旋转，而手闭合得越多，皮肤伸展的力就越大。
克拉克说：“我们正在使用皮肤上的触觉来代替大脑通常从肌肉中获得的有关手部位置的信息。” “我们实质上是将来自一个来源的反馈映射到假手的一个方面。在这种情况下，就是手的张开或闭合的程度。”
像莱斯触觉摇杆一样，SoftHand使用简单的设计。IIT /比萨大学的博士后研究员，共同创造者曼努埃尔·卡塔拉诺(Manuel Catalano)表示，设计灵感来自神经科学。
他说：“人的手有很多关节和关节，要用机器人的手复制和控制它非常困难。” “当您必须抓住某物时，您的大脑不会对每个手指的运动进行编程。您的大脑有一些模式，称为协同作用，可以协调(手部)所有关节。”
Catalano说，Pisa / IIT SoftHand就像人们在日常生活中一样，使用控制协同作用。“与此同时，得益于SoftHand固有的适应环境和变形的能力，它坚固并且能够以多种不同方式抓取物体。”
巴塔格利亚(Battaglia)说，神经学研究已经确定了这只手的一系列协同作用。人们可以单独或组合使用这些乐器来执行简单的任务，例如转动门把手和弹奏钢琴。拿住一个物体，例如杯子或衣架，是最简单的方法之一。
他说：“实验表明，一种协同作用可以解释所有把握的50%以上。” “ SoftHand旨在模仿这一点。非常简单。只有一台电动机和一根控制线可以同时打开和闭合所有手指。”
在测试中，受试者使用SoftHand抓握各种形状和大小的物体，范围从葡萄柚大小的球到硬币(四分之一)。要张紧手，受试者只需弯曲前臂的肌肉即可。绑在手臂上的电极从屈曲的肌肉中吸收电信号，然后将这些信号传输到SoftHand中的电机。
为了进行尺寸辨别测试，受试者被蒙住双眼并要求抓住两个不同的物体。然后，他们被问到两者中哪一个更大。如果没有触觉反馈，被蒙住双眼的受试者只能根据直觉进行猜测。他们只正确选择了大约33%的时间，这是从随机选择中获得的期望。当他们在莱斯触觉摇摆器的反馈下进行相同的测试时，受试者正确地将较大的对象与较小的对象正确区分的时间超过了70%。
研究人员正在跟进，以查看被截肢者是否可以通过将触觉摇杆与SoftHand结合使用而获得类似的好处。
O'Malley说：“使我们在MAHI实验室中进行研究的独特性之一是，从一开始，从设计和概念阶段一直到系统的测试和评估，我们都吸引了最终用户。” 。“通过我们在德克萨斯医疗中心的密切合作，我们能够在设计和评估过程中一直与最终用户(与患者，理疗师和医生)进行互动。”
其他合著者包括比萨大学的Matteo Bianchi。该研究得到了国家科学基金会和欧洲项目WEARHAP，SOFTPRO和SoftHands的支持。这项合作将继续得到最近宣布的赖斯大学国际合作奖的支持，这使珍妮尔·克拉克(Janelle Clark)可以在2018年更长时间访问比萨大学。
标签： 触觉反馈