ETH蘇黎世新突破：復刻人體解剖結構的高度仿生氣動肌肉機械手

機器人要真正融入人類生活，一雙靈巧的手必不可少。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）軟體機器人實驗室的研究團隊，用3D打印技術造出了一只高度仿生的機械手臂，不僅在設計上拋棄了傳統(tǒng)的機械構型，更用22塊獨立控制的氣動人工肌肉（PAMs）取代了傳統(tǒng)電機驅動。

這套系統(tǒng)最大的亮點在于，研究團隊完全按照人體解剖學結構設計，從MRI掃描數(shù)據(jù)中提取了真實的骨骼形狀和肌肉錨點位置。手部包含剛性骨骼、柔性關節(jié)囊、肌腱和觸覺傳感器，前臂則精確復制了人類前臂的肌肉分布。

更關鍵的是，整個手臂采用視覺控制噴射（Vision Controlled Jetting）技術一次打印成型，無需復雜的組裝過程，只需連接人工肌肉即可使用。

01.

人工肌肉部分性能超越生物肌肉，成本大幅降低

傳統(tǒng)機械手多采用電機驅動，雖然控制精確，但體積龐大、剛性強，在人機協(xié)作場景中存在安全隱患。而這次ETH團隊開發(fā)的氣動人工肌肉，最大應變率可達30.1%，在0.5 MPa壓力下最大輸出力達38.05 N，性能已經接近當前最先進的McKibben型人工肌肉。

研究人員采用了一種巧妙的設計：將直徑1.5mm的硅膠管插入聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）編織套管中。硅膠管的斷裂伸長率高達540%，Shore A30的硬度確保了足夠的柔韌性。當充氣加壓時，編織套管限制徑向膨脹，迫使肌肉縱向收縮。

整個人工肌肉的材料成本僅為3.45美元/米，相比商用產品大幅降低。制作過程也相當簡單：將硅膠管插入編織套，兩端用釣魚線打結密封，一端連接氣源，另一端直接作為肌腱使用。

在實際測試中，單個手指的指尖力可達1.95±0.15 N，抓握力為2.97±0.25 N。雖然與人類中等強度抓握（24 N）還有差距，但已經足夠完成大部分日常操作任務。

02.

高度還原人體解剖結構，靈巧性媲美頂尖機械手

為了實現(xiàn)高度仿生，研究團隊從BodyParts3D數(shù)據(jù)庫獲取了人體右前臂的MRI掃描數(shù)據(jù)，精確建模了骨骼形狀、肌肉附著點和肌腱走向。

在肌肉配置上，團隊重點復制了控制手指主要運動的外在肌群：

• 指深屈肌（FDP）和指淺屈肌（FDS）：負責手指彎曲
• 指伸肌（ED）：負責手指伸直
• 拇長屈肌（FPL）和拇長伸肌（EPL）：控制拇指運動
• 拇展肌（AP）和拇對掌肌（OP）：實現(xiàn)拇指對掌功能
  

特別值得一提的是腕關節(jié)和拇指腕掌關節(jié)的設計。腕關節(jié)通過7條獨立肌腱連接5塊不同的骨骼，拇指腕掌關節(jié)則采用馬鞍關節(jié)設計，確保了拇指的靈活對掌運動。

在功能測試中，機械手在Kapandji測試中獲得6分（滿分10分），成功實現(xiàn)了拇指與所有手指指尖的接觸。小指的關節(jié)活動范圍測試顯示，掌指關節(jié)可彎曲至90.9°，近端指間關節(jié)達87.1°，遠端指間關節(jié)達45.0°。

論文作者指出，盡管這一分數(shù)低于理想的人類表現(xiàn)，但其拇指展現(xiàn)出的良好對掌能力，已經“與高度擬人化的頂尖機械手處于同一水平”。

03.

觸覺感知讓抓握更智能，應用前景廣闊

除了靈活的運動能力，研究團隊還在指尖和手掌集成了氣動觸覺傳感器。這些傳感器腔體在3D打印過程中直接成型，通過細管連接到壓力傳感器。

當物體接觸傳感器表面時，腔體受壓導致內部氣壓上升。系統(tǒng)設定4 kPa的壓力閾值，一旦超過閾值，對應手指的屈肌氣壓就會保持恒定，實現(xiàn)自適應抓握。這種控制策略讓每根手指都能根據(jù)物體形狀獨立調節(jié)彎曲程度。

在實際演示中，機械手成功抓取了從硬幣、螺絲釘?shù)刃∥锛骄W球大小的球體、272克重的噴霧罐等各種物體。精確抓握、力量抓握和中間抓握等多種抓取模式都能流暢實現(xiàn)。

當然，這套系統(tǒng)仍有改進空間。打印材料的抗拉強度（45 MPa）遠低于人體皮質骨（133 MPa），關節(jié)囊在約50次彎曲后出現(xiàn)磨損。氣動系統(tǒng)所需的泵和閥門也比較笨重，限制了系統(tǒng)的移動性。

研究團隊表示，未來將重點改進設計以提高抓握能力，升級觸覺傳感器，并探索無纜壓縮空氣源，讓這只仿生手臂真正走向實用。

這項研究不僅推動了仿生機器人技術的發(fā)展，也為假肢設計提供了新思路。隨著3D打印技術和人工肌肉材料的不斷進步，或許在不久的將來，我們就能看到功能完全媲美人手的機械手臂。