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醫療產業-手掌義肢

自然的觸覺

 

裝載FAULHABER 驅動裝置的義肢技術能用適當的力量抓取而不損壞物體或讓物體掉落,觸摸和感覺物體的形狀和肌理:一個肢體健全的正常人每天都會重複這樣的操作上百次而無需作出任何思考。

然而這些運動其實是一連串複雜的序列組合。若想人為仿製,無疑是一個很大的挑戰,但有一支研究團隊在FAULHABER微型馬達的技術支持下,已成功地駕馭LifeHand2研究計畫。

 

傳統義肢的缺點

如果已關注過一些殘疾人運動比賽如殘障奧運,你就會發現現今的義肢技術是多麼的令人驚奇。2014年夏天,德國跳遠運動選手Markus Rehm不能跟隨同伴一起參加歐洲田徑錦標賽,因為德國運動委員會擔心他的碳纖義肢會讓他相對於那些身體健全的普通運動員而暫居一定的優勢。然而這種由碳和其他材料製成的精巧義肢卻有一個很大的缺點: 截肢者無法像使用自然肢體一樣真正地使用它們。市面上供應的手部義肢可以測試殘餘肢體的肌肉運動,能讓截肢者張開和合起假手及抓取物體。但缺少了反應給神經系統的感知訊息,截肢者無法有抓取東西的任何感覺。因此他必須仔細盯著義肢,以防捏碎物體。

 

就像真正的人手

 

LifeHand 2計畫有了重大的突破。人造假手讓義肢安裝者有了不可思議的觸覺感受: 他們能用合適的力量抓取物體,並透過傳感器感受物體的特徵,甚至還能準確地感覺哪根手指接觸到了物體。假手的大小重量與正常的人手相當。LifeHand2假手裝載了觸覺記錄傳感器,可透過偵測人造肌腱內的應力產生觸摸感,進一步操控手指運動。測得的數據首先轉換為電信號,然後傳送給神經系統。電信號可以通過神經纖維的電極傳導致大腦。電腦將來自傳感器的信號轉為神經系統能夠識別的脈搏。再透過正中神經(Nervus medianus)和尺神經(Nervus ulnaris)上的電極進一步傳導給大腦。

仿生義肢假手由瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的一個國際研究小組研製而成。共有來自義大利、瑞士和德國的六個研究機構參與。他們研究出感官回饋系統,讓患者在觸摸和移動物體時產生一定的感覺。

2013年二月在羅馬的Gemeli醫院裡LifeHand2假手雛形在Paolo Maria Rossini的監督指導下進行測試,做為臨床研究的一部分。Däne Dennis Aabo Sørensen是第一個自願接受LifeHand 2測試的患者。在他九年前的一次事故中失去了左手。四個微型接口植入他左手的主神經。在裝上義肢假手前必須先透過手術植入電極並等待傷口完全癒合。當Sørensen觸摸物體時,假肢上的傳感器會產生感官信息,先由電腦進行處理,然後透過刺激劑傳送到植入神經的電極,最後在傳導給大腦。整個過程不超過100毫秒。這樣短暫的時間間隔患者不會產生傳遞延遲的感覺。 Sørensen能夠辨識並物體的行狀、硬度和確切的即時位置,並利用這些訊息透過手指正確掌控抓取物體和適當的力量控制手指抓取物體。

讓整個研究小組感到無比驚訝的是,Sørensen學會操控義肢假手的速度之快。測試過程中研究人員蒙住Sørensen的眼睛,然後讓他用LifeHand抓取物體。雖然無法看到東西,但Sørensen不但能成功掌握拿捏的力量強度,還能描述物體的形狀和質地。

 

來自FAULHABER精細的馬達

 

LifeHand拇指和其他手指的精細運動結果倚靠直流微型馬達來實現。馬達的直徑和長度分別為1331毫米,結構輕巧紮實。FAULHABER直流馬達的特殊之處在於它的轉子不是纏繞在鐵芯上,而是由一個傾斜纏繞的自承式銅線圈組成。此外,轉子慣量小、無齒槽效應也是LifeHand研究計畫選用FAULHABER達的原因之一。