機(jī)器人假肢的使用在社會(huì)中越來(lái)越普遍。即使是相對(duì)簡(jiǎn)單的肢體置換也能帶來(lái)生活質(zhì)量的提升，我們可以想象，通過(guò)引入高精度、智能抓取和手勢(shì)預(yù)測(cè)技術(shù)，生活質(zhì)量將如何提升。這是最近在 arXiv.org 上發(fā)表的科學(xué)研究的主要目標(biāo)。

這項(xiàng)研究是關(guān)于什么的?

這項(xiàng)工作背后的一組研究人員發(fā)表了一篇論文，其中他們?cè)O(shè)計(jì)了一種多模態(tài)數(shù)據(jù)融合方法，致力于更好地預(yù)測(cè)想要正確控制機(jī)械手假肢的用戶的意圖。這項(xiàng)工作包括數(shù)據(jù)集收集和結(jié)合兩種不同喘息檢測(cè)模式的新方法的開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)集由第一人稱視頻圖像、凝視和動(dòng)態(tài)EMG數(shù)據(jù)組成。后來(lái)，根據(jù)獨(dú)立的模態(tài)(動(dòng)態(tài) EMG 和視覺(jué)抓取檢測(cè))對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和分割，然后與這些模式的多模態(tài)融合進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)更好的魯棒性和準(zhǔn)確性。

為什么進(jìn)行這項(xiàng)研究?

這項(xiàng)研究的目的是幫助截肢者，尤其是下臂截肢者。根據(jù)所提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2005 年約有 160 萬(wàn)人失去了肢體，其中大多數(shù)人更喜歡假肢作為替代品。毫無(wú)疑問(wèn)，仿生假肢具有改善用戶生活質(zhì)量的巨大潛力。

現(xiàn)有仿生模型有哪些局限性?

通常，機(jī)器人假肢或仿生手臂附在患者身上，有望在日常活動(dòng)中進(jìn)行物體操作。但是目前的方法有一個(gè)局限性。仿生假肢目前基于生理學(xué)方法，如 EEG(腦電圖)和 EMG(肌電圖)。這些信號(hào)是生理信號(hào)，因此取決于許多限制因素，例如肌肉疲勞、電磁干擾、電極的意外移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)偽影以及皮膚-電極結(jié)阻抗隨時(shí)間的變化。視覺(jué)證據(jù)還受到光照、遮擋以及基于觀察角度的物體形狀變化等因素的影響?；旧希?dāng)前的模型容易受到一定的誤差范圍的影響，因?yàn)樗鼤?huì)受到許多內(nèi)在和外在因素的影響。

實(shí)驗(yàn)是如何進(jìn)行的?

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是從五名完全健康的受試者——四名男性和一名女性，在他們完全同意的情況下收集的。所有被試均為右撇子，本實(shí)驗(yàn)僅研究慣用手。

在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，對(duì)所有涉及的肌肉進(jìn)行了 MVC 測(cè)試(最大自愿收縮)。在此之后，受試者接受一系列預(yù)先設(shè)計(jì)的動(dòng)作，以使用 EMG 電極和眼動(dòng)追蹤設(shè)備收集數(shù)據(jù)。

多模式融合方法如何升級(jí)現(xiàn)有模式?

這種新方法旨在通過(guò)減少低效率因素來(lái)統(tǒng)一 EEG、EMG 和視覺(jué)證據(jù)的陽(yáng)性結(jié)果。科學(xué)家們提出了一個(gè)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的“貝葉斯證據(jù)融合”框架。然后，他們分析了作為用戶手接近和抓住它面前的物體所花費(fèi)的時(shí)間的函數(shù)的各種表現(xiàn)。

從該實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)和開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理模型表明，多模式融合系統(tǒng)比單獨(dú)分離的兩種抓取分類模式更有效。

這種方法有什么局限性?

如上所述，該方法依賴于生理模式的最佳和最有效部分以及視覺(jué)證據(jù)的融合，并依賴于它們的互補(bǔ)性以獲得最佳性能。

當(dāng)假肢機(jī)械臂處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，相機(jī)可以非常清楚地注意到感興趣的物體，這表明視覺(jué)證據(jù)對(duì)應(yīng)物的準(zhǔn)確性更高。另一方面，當(dāng)手臂處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，主體向物體伸出手時(shí)，EMG 特征比視覺(jué)分類器更活躍?；谌诤系姆椒ㄔ谒袌?chǎng)景中都優(yōu)于單個(gè)分類器，實(shí)現(xiàn)了 95.3% 的總抓取分類準(zhǔn)確率。

顯然，與現(xiàn)有方法相比，這種技術(shù)沒(méi)有任何限制，只是需要更多的計(jì)算能力來(lái)處理所有數(shù)據(jù)。盡管從實(shí)踐的角度來(lái)看，這實(shí)際上并不是以當(dāng)前的計(jì)算技術(shù)狀態(tài)無(wú)法解決的限制。

這項(xiàng)研究的未來(lái)范圍是什么?

這項(xiàng)研究可能會(huì)激發(fā)下一代生物假肢。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、編程和生物力學(xué)的全面多學(xué)科整合，這可能是幫助世界各地截肢者的關(guān)鍵。佩戴新一代智能假肢實(shí)際上會(huì)感覺(jué)像是截肢者身體的一部分，同時(shí)還提供無(wú)縫運(yùn)動(dòng)和有用的現(xiàn)實(shí)生活功能。

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