Nat Commun新突破：人机协同智能仿生手助力前臂截肢者精准抓握

拿起水杯饮水、拾起纸张阅读，这些常人习以为常的动作，对前臂截肢者而言却曾是难以逾越的障碍。尽管商用仿生手已能复刻人类手部的多种运动模式，但控制复杂、抓握精度不足以及长期使用带来的认知疲劳，导致许多患者最终放弃使用这类辅助设备。

近日，Nat Commun刊载的一项研究，针对性破解了这一临床痛点，通过人机协同技术让仿生手实现精准可控与易用性的双重突破，为截肢者重返正常生活注入新动力。

这项研究的核心突破在于为商用仿生手配备了敏锐的感知与智能协作能力。研究团队研发了一款多模态指尖传感器，将红外接近传感器与气压压力传感器集成在定制印刷电路板上，经硅胶封装后适配常用的TASKA商用仿生手。这款传感器为仿生手赋予了敏锐的指尖感知能力，能实时无线传输每个手指的接近距离和压力数据。即便面对轻质棉花的轻微触碰，它也能精准捕捉，同时可测量多方向外力，检测范围涵盖0至1.5厘米的接近距离和最大35牛的压力。

图1 带传感器的指尖可检测压力和接近度

基于这款传感器，研究团队首先开发了自主机器控制器，能通过传感器反馈以最小力度自动抓握物体。在易碎物体转移实验中，与传统肌电比例控制相比，机器控制使抓握压力显著降低，任务成功率从23%提升至99%，参与者的主观认知负担也大幅减轻，但肌肉激活水平略高于传统控制模式，这主要源于机器控制的开关切换需要特定肌肉收缩发力。

为解决单一机器控制无法灵活适配不同物体受力需求的问题，团队进一步打造了动态加权人机共享控制框架。该框架通过多层感知器基于传感器数据预测机器意图，即手指接触物体的最佳位置，同时利用改进卡尔曼滤波解码人类肌电信号中的位置意图，再通过动态加权求和与指数映射将两者深度融合。这种协同模式下，人类始终掌握主导权，机器则提供精准辅助。当手指接近物体时，机器自动将其移动至接触位置，人类可在剩余活动范围内精细调节握力，有效提升控制精度。

在易碎物体转移任务中，共享控制的优势尤为明显。参与者使用共享控制时，转移成功率从原来的59%大幅提升至89%，峰值抓握力从9.68牛降至7.60牛，且抓握力更平稳，有效避免物体破损或掉落。单纯依靠人类控制时，参与者常因解码位置的微小变化导致握力大幅波动，难以顺利完成任务。

图4 共享控制在易碎物体转移任务中提高了抓握精度

在球形物体握持实验中，共享控制同样表现出色。参与者使用共享控制时，掉落物体的次数从平均2.33次减少至0.25次，持续握持时间从54.01秒延长至77.61秒，同时认知负担显著降低。检测反应任务的响应时间缩短60毫秒，相当于认知负担降低29%，这一改善幅度堪比从单自由度仿生手切换到健全人手的体验提升。

图2 共享控制在握持任务中提高了抓握安全性并降低了认知负担

针对4名前臂截肢者的专项实验更具临床意义。参与者使用共享控制完成易碎物体握持任务时，持续握持时间从7.81秒大幅延长至51.56秒，平均抓握力从14.86牛降至9.74牛，认知负担降低24%，且物理负担无显著增加。更重要的是，共享控制展现出极强的生活适用性，参与者能成功完成举杯饮水、转移鸡蛋、拾取纸张等日常任务，而这些任务在单纯人类控制模式下几乎无法实现。

图3 共享控制改善了上肢截肢者的抓握安全性、精度并降低了认知负担

图4 共享控制支持日常生活活动

这项研究的价值不仅在于技术突破，更在于其良好的临床转化潜力。传感器模块可适配不同商用仿生手，共享控制算法无需针对不同任务或物体调整参数，真正实现即装即用。实验中，无论是使用肌电假肢还是身体动力假肢的患者，都能从共享控制中获益，这意味着该技术未来可惠及更广泛的患者群体。

值得关注的是，共享控制框架通过客观的检测反应任务量化了认知负担的降低，为仿生假肢的易用性评估提供了新基准。这种人机协同模式既保留了人类的控制主导权，又通过机器辅助减轻了认知压力，有效解决了传统多自由度仿生手难控制、易疲劳的核心痛点。

这项研究让仿生手从能动作迈向会协作，不仅显著提升了抓握精度与安全性，更降低了使用门槛，为截肢者回归正常生活提供了有力支撑。随着技术的进一步优化与临床推广，未来仿生假肢将更智能、更易用，真正成为截肢者得心应手的身体延伸，为更多患者带来生活便利与尊严。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Trout, M.A., Mino, F.R., Olsen, C.D. et al. Shared human-machine control of an intelligent bionic hand improves grasping and decreases cognitive burden for transradial amputees. Nat Commun 16, 10418 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65965-9