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一、神奇的仿生假肢手诞生记
大家好！今天来给大家介绍一款具有神经形态触觉感应的天然仿生假肢手！现在全球的科技都在飞速发展，假肢技术也不例外。在假肢领域，以前大家想做出像人手一样好用的假肢，可费了不少劲。人类的手结构超精妙，是软和硬的结合，抓东西又稳又灵活，还能通过触觉感受各种信息。但以前的仿生手，要么软的不够好，要么硬的差点意思，还没有特别好的触觉感应。
这款仿生假肢手就不一样啦！它是受到人类手部结构的启发，把软机器人和硬骨架结合在一起，还加上了三层像人类皮肤触觉感受器一样的神经形态触觉感应层。你看，它就像一个融合了各种优点的“超级手”，既有软机器人的灵活和安全，又有硬机器人的力量和精准，还能像我们的手一样感知周围的东西。它的出现，就是为了帮助上肢缺失的朋友们，让他们能更自然地抓取物体，重新感受生活的美好。
二、探秘仿生手指的独特构造
先来说说这仿生手的“小零件”——仿生手指。它的设计灵感直接来源于人类手指，把软和硬的部分搭配得恰到好处。它有三个能独立活动的软机器人关节，是用一种叫DragonSkin10硅胶做的，软软弹弹的；关节中间呢，是3D打印的PLA硬骨架，就像我们手指里的骨头一样，给整个手指提供支撑。这样的组合，让手指既能灵活弯曲，又有足够的力量。
再看看指尖，它外面是一层软硅胶，里面藏着一个多层触觉传感器。这个传感器可不简单，是模仿人类皮肤里的触觉感受器设计的。最外层就像皮肤的表皮，能感受轻轻的触摸和低频振动；中间层和内层就像皮肤的真皮层，能感知变形、高频振动和瞬间压力。而且每个传感器层都有不同数量和大小的感应单元，就像一个个小“侦察兵”，能精准地收集各种触觉信息，帮助我们更好地感知物体的表面纹理和形状。
三、多层触觉传感器的神奇魔力
这个多层触觉传感器真的是仿生手的“秘密武器”！它的每一层都有独特的功能。最外层的传感器有九个小小的感应单元，每个只有4平方毫米，它们对轻微的触摸特别敏感，就像我们用手指轻轻触碰东西时，能马上感觉到一样。中间层有六个稍大一点的感应单元，每个6平方毫米，主要负责感知物体的变形，比如我们捏东西的时候，它就能察觉到物体形状的变化。最里面的压电传感器，就像一个“振动小雷达”，能捕捉到高频振动和瞬间压力，比如我们敲东西时产生的振动。
这些传感器协同工作，就像一个配合默契的团队。当手指触摸物体时，不同的传感器层会根据物体的特点做出相应的反应。比如摸一个表面粗糙的物体，外层传感器能感受到表面的凸起，中间层能感知到按压时物体的变形，内层传感器则能捕捉到触摸时产生的微小振动。这些信息综合起来，仿生手就能清楚地“知道”这个物体是什么样的，是不是很神奇！
四、神经形态编码：仿生手的“智慧大脑”
仿生手还有一个很厉害的“大脑”，就是神经形态编码。它能把触觉传感器收集到的信息，按照人类手部神经的工作方式进行处理。就像我们的大脑会把触觉信息转化为神经信号一样，仿生手利用Izhikevich神经元模型框架，把传感器的模拟信号转化为类似神经脉冲的信号。
不同的神经元模型对应着不同的触觉感受器。比如，模拟Merkel细胞的模型，就像我们皮肤里专门感受轻微触摸的“小卫士”，会持续对触摸刺激做出反应；而模拟Meissner corpuscles的模型，就像一个“振动探测器”，只在触摸开始和结束时，也就是有振动变化的时候才会有反应。通过这样的神经形态编码，仿生手能更高效地处理触觉信息，还能和机器学习技术一起合作，准确地识别不同的物体纹理。
五、仿生手指的性能大揭秘
为了让仿生手更好用，科学家们对仿生手指做了好多测试（结合图4讲解）。首先是有限元分析，就像是给手指做了一个“虚拟体检”，用专业软件看看它在各种情况下的表现。结果发现，在7psi的压力下，仿生手指能弯曲到127°，还能实现230°的flexion，而且没有出现任何损坏的迹象。
实际测试中，仿生手指的表现也相当出色。在同样7psi的压力下，它能弯曲到130°，实现208°的flexion，比那些纯软的机器人手指厉害多啦！而且它的力量也很强，能输出1.8N的弯曲力，是软手指的三倍多，虽然和人类手指的力量还有点差距，但已经很了不起啦！另外，它的多层触觉传感器也非常稳定，经过1000次测试，都能稳定地工作，为仿生手提供可靠的触觉信息。
六、仿生手的“火眼金睛”：纹理识别大挑战
仿生手在识别物体纹理方面，简直就是“火眼金睛”！科学家们找来了软机器人手指和传统刚性假肢手指，和仿生手指一起进行纹理识别大比拼。他们准备了26种不同纹理的板子，有软的，有硬的，表面的纹理也各种各样。
测试结果让人惊叹，仿生手指凭借多层触觉传感器和神经形态编码，对这些纹理的识别准确率高达98.38%，而软手指和刚性手指的准确率只有82.31%和83.02%。这是因为仿生手指能在保持灵活的同时，施加更稳定的压力，让传感器更好地收集纹理信息。
而且，科学家们还发现，仿生手的每一层传感器都很重要，单独用外层传感器，仿生手指的识别准确率就能达到87.97%，比其他两种手指都高；把不同层的传感器组合起来，识别准确率就更高啦，说明每一层都能提供独特的纹理信息，帮助仿生手更准确地识别物体。
七、仿生手的“十八般武艺”：多样抓取展示
现在，把这些厉害的仿生手指组合起来，就成了仿生手。它的构造和人类的手很相似，有五个手指，每个手指都能灵活活动，还能做出各种抓握动作。
科学家们用它进行了各种抓取测试，发现它的本领可真不少！用球形抓握，它能轻松抓起一个球；用捏握，能稳稳地拿起一个143克的重金属板；它还会像我们握手一样，用有力的抓握和人互动；用三脚架抓握可以握住螺丝刀，用圆柱形抓握能拿起圆柱体。而且，它不仅能抓重的东西，还能轻柔地拿起像塑料杯、毛绒玩具这样的易碎或柔软物品，甚至能拿起装满水的塑料杯，还不会把杯子弄变形，真的超级厉害！
仿生手还能通过肌电图（EMG）来控制。就像我们大脑给手部肌肉发送信号一样，上肢缺失的人可以通过残留肌肉的电信号，让仿生手做出相应的动作，就好像这只手真的是自己身体的一部分一样。
八、仿生手在日常物品识别中的出色表现
仿生手在识别日常物品方面也表现得非常出色（结合图6讲解）。科学家们让它抓取15种不同的日常物品，这些物品的表面纹理和柔软度都不一样，像苹果、毛绒玩具、金属水瓶等等。仿生手利用多层触觉传感器，在抓取过程中就能感知物体的表面信息，然后进行识别。
结果显示，它对这些物品的识别准确率高达99.69%，几乎不会出错！只有在识别菠萝的时候，出现了一点点混淆。通过分析发现，对于这些日常物品，仿生手的SA1和SA2编码的传感器层表现更好，因为日常物品大多不需要高频率的振动感知，更需要感知物体的柔软度和表面的一些基本特征。这也说明，仿生手的多层触觉传感器能根据不同的任务，发挥不同的作用，就像我们人类的手一样，能适应各种复杂的情况。
九、对这款仿生假肢手的展望
该研究展示了混合机器人的优势，但仿生手在力量等方面仍需改进。多层触觉传感器设计巧妙，但可进一步优化。神经形态编码有潜力提供自然触觉反馈。未来研究可聚焦于闭环控制和改进手指设计，提升仿生手性能。
十、一起来做做题吧
1、关于仿生手的设计灵感，以下说法正确的是？
A. 仅来源于软机器人的灵活性
B. 模仿人类手部的软硬结合结构和触觉感知机制
C. 主要参考刚性机器人的强大抓力
D. 源于对生物肢体运动的简单模仿
2、仿生手指中，多层触觉传感器的外层主要模拟人类皮肤中的哪些触觉感受器？
A. Ruffini endings 和 Pacinian corpuscles
B. Merkel cells 和 Meissner corpuscles
C. 仅 Merkel cells
D. 仅 Meissner corpuscles
3、在纹理分类任务中，仿生手指相比软手指和刚性手指的优势在于？
A. 能施加更稳定的压力且更灵活
B. 结构更简单
C. 制作成本更低
D. 外观更接近人类手指
4、仿生手能够实现多种抓握模式的关键原因是？
A. 有先进的控制软件
B. 采用了特殊的材料
C. 仿生手指的设计及刚性与柔性的结合
D. 具备强大的动力系统
5、关于仿生手的神经形态编码，下列说法错误的是？
A. 能提高计算效率
B. 模拟人类手部神经的工作方式处理触觉信息
C. 对所有纹理的识别准确率都一样
D. 可通过神经刺激为假肢使用者提供自然触觉反馈
参考文献：
Sriramana Sankar et al. A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping. Sci. Adv.11, eadr9300(2025).
