成果名称：双向神经通路的智能上肢假肢研究

登记日期：2024-09-02

完成单位：深圳市罗伯医疗科技有限公司；中国科学院深圳先进技术研究院；上海交通大学；重庆大学；山东大学；深圳市华谊智测科技股份有限公司

完成人：李光林；杨嘉林；陈世雄；耿艳娟；吴小鹰；李可；郝蔓钊；郑悦；田岚；黄邦宇；胡庆浩；龙飞

研究起止日期：2020-04-01至2023-04-01

主要应用行业：科学研究和技术服务业

高新技术领域：电子信息

评价单位：广东省科学技术厅

评价日期：2024-01-11

成果简介：1.课题来源与背景 近年来上肢假肢技术虽然有了很大发展，但假肢的拒用和弃用率仍然很高。主要原因是缺乏精准的意图识别、安全有效的感知反馈以及兼顾运动相容性与穿戴舒适性的仿人手臂。双向神经通路的智能上肢假肢研究课题，来源于广东省重点领域研发计划项目中的智能机器人与装备制造重点专项。致力于研制具有自主知识产权，可再现人体手臂灵巧运动和感觉功能的假肢系统，突破上肢假肢的模块化仿生机械创成、多源信息融合的运动模式精确识别方法、假肢手接触信息解析及多模态感觉反馈、基于力触觉信息的假肢手自适应闭环调控等多项关键技术，实现智能上肢假肢系统的直觉操控与快速适配。 2.技术原理及性能指标 在项目执行的三年期间，项目团队在上肢假肢的仿生设计与实现方法、利用运动神经信息实现上肢运动意图的精准识别、感觉信息的柔性传感、假肢感觉信息的神经传入、基于运动学与动力学的假肢控制器设计和具有双向神经通路上肢假肢的人机交互与闭环控制技术六个方面开展了系统的研究，研究总体进展顺利，项目研究团队根据项目任务书的计划目标和各项主要指标要求，按照计划方案开展研究，完成了任务书的技术和成果指标。项目总体研究成果如下： 1)上肢假肢的仿生设计与实现方法：完成仿生设计的模块化假肢原型机（12个自由度（5个主动自由度）假肢手模块、3自由度前臂模块及2自由度大臂模块）。 2)感觉信息柔性传感技术：研发了基于柔性材料的传感阵列，并和商业化传感器一起集成在假肢手上，实现了对触觉、温度觉的多点检测，检测点数8个。 3)上肢运动意图的精准、稳定识别算法：研究了基于神经信息的运动意图识别方法，实现上肢10个动作识别率≥92%。 4)基于柔性传感的无创假肢手感觉信息获取及神经传入技术：开发了具备触觉、温觉、本体感觉的多通道便携式电刺激感知反馈系统，通道数6个（5个通道用于触觉和温觉，1个通道用于本体感觉）。 5)基于运动学与动力学的假肢控制器设计：开发前馈控制和反馈控制相结合的混合控制器。 6)具有双向神经通路上肢假肢的人机交互与闭环控制技术：建立人-假肢-环境的完整闭环交互系统，并验证有效性。搭建双向神经通路上肢假肢系统平台，完成了10例上肢截肢患者穿戴实验及示范应用。 7)项目共发表论文21篇，申请专利18项。 3.技术的创造性与先进性 该项目以上臂截肢者运动-感觉双向神经通路的重建为研究重点，研制兼顾运动相容性与穿戴舒适性的上肢假肢；利用高效解码方法实现运动意图的精准稳定识别；通过感觉信号的检测及编解码，实现上肢假肢触觉和温度等感觉信号的神经传入；研发双向神经通路上肢假肢闭环控制系统，通过假肢系统集成及应用，验证假肢系统的性能。 该项目研发的高性能多通道柔性可拉伸阵列电极能够实现电生理信息的高质量获取，该成果2023年发表于Nature杂志正刊；研发的具有双向神经通路的智能假肢系统原型样机包括12自由度的灵巧假肢手和5自由度的假肢上臂；研发的假肢系统能够实现基于肌电信号的神经假肢操控，并集成了触觉、位置、温度等多模态感觉信息感觉反馈功能。研发的智能假肢技术及系统有望打破国外假肢巨头对高端肌电假肢产品的技术垄断，解决国内高端肌电假肢的“卡脖子”问题，促进我国智能假肢及康复产业的发展。 4.技术的成熟度，适用范围和安全性 目前项目已完成系统样机的制备，技术就绪度的成熟度为6级，并招募10例程度的上肢截肢患者佩戴假肢系统，开展了假肢系统运动功能、感觉反馈方面的性能验证。未来会进一步加强系统的成熟度，和医院紧密合作，让更多的截肢患者使用假肢。该项目主要用于前臂截肢患者，可居家或者在医院应用。在安全性方面，系统在研发过程中的加入了安全设计。1）材料选择：选用与人体组织相容性良好的材料，避免引起过敏、排异等不良反应2）结构设计：平衡性方面，通过合理的假肢长度、关节位置和角度设计，可以使假肢与人体的自然运动相匹配；在关节设计方面，考虑到人体关节的运动范围和力学特性，确保假肢能够实现自然、流畅的运动。同时，关节的锁定和解锁机制应安全可靠，防止意外解锁导致使用者受伤；控制系统安全：配备了电子控制系统，用于实现各种功能，如运动控制、力反馈等，防止出现故障导致使用者受伤。 5.应用情况及存在的问题 项目团队在上肢假肢的仿生设计与实现方法、利用运动神经信息实现上肢运动意图的精准识别、感觉信息的柔性传感、假肢感觉信息的神经传入、基于运动学与动力学的假肢控制器设计和具有双向神经通路上肢假肢的人机交互与闭环控制技术六个方面开展了系统的研究，最终形成具有“运动神经信号传出”与“感觉神经信号传入”功能的上肢假肢系统，能够实现人-假肢-环境的自然交互。 该系统以及系统研发过程中开发的技术，将弥补我国在假肢相关行业方面的不足，推动假肢相关技术的进步，有利于我国假肢行业的发展。 6.历年获奖情况 暂无。