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  肌肉的收縮動(dòng)作由運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通過動(dòng)作電位刺激控制，這一激發(fā)-收縮轉(zhuǎn)換通過神經(jīng)肌肉接合點(diǎn)的力電耦合過程完成，而其伴隨的肌電信號(hào)和力學(xué)響應(yīng)常被用作手勢(shì)識(shí)別和人機(jī)交互的控制源。然而，基于肌電信號(hào)的策略通常對(duì)低力度的手勢(shì)動(dòng)作低敏，而基于力學(xué)響應(yīng)信號(hào)的策略則受限于力電延遲等效應(yīng)。近年來，部分識(shí)別系統(tǒng)整合了獨(dú)立的肌電信號(hào)和力學(xué)信號(hào)傳感器，卻因突觸傳導(dǎo)、動(dòng)作電位傳導(dǎo)過程、肌肉力傳導(dǎo)及梯度形變等內(nèi)在力電耦合因素，導(dǎo)致肌電信號(hào)和力學(xué)響應(yīng)存在時(shí)間和空間的明顯差異(圖1)，從而削弱了這一策略的準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)人機(jī)交互，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授課題組提出了局域力電耦合界面的概念，制備了生物啟發(fā)的復(fù)合貼片，用于捕捉手勢(shì)動(dòng)作中的激發(fā)-收縮特征，并判斷動(dòng)作的幅度、力度和速度，進(jìn)而用于機(jī)械手的動(dòng)作動(dòng)態(tài)控制。

圖1.力電耦合的時(shí)空差異性

  受細(xì)胞偽足粘附機(jī)制啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多層復(fù)合貼片模擬了偽足的透膜結(jié)構(gòu)及其與膜外配體特異性識(shí)別的特征。他們通過水凝膠穿透微裂紋金膜薄形成的“粘附斑”與鈦金屬層和彈性體薄膜形成界面化學(xué)鍵和，制備了由離子水凝膠、金/鈦雙層金屬納米薄膜和彈性體薄膜組成的四層復(fù)合貼片（簡稱CoupOn）（圖2）。該復(fù)合貼片可同時(shí)同地監(jiān)測(cè)肌肉收縮過程中表面肌電信號(hào)和力學(xué)應(yīng)變，從而捕捉肌肉動(dòng)作過程的激發(fā)-收縮特征；其肌電信號(hào)信噪比可達(dá)32.2dB，應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)可達(dá)34。此外，CoupOn復(fù)合貼片與皮膚粘附力可達(dá)15 N/m，兼具良好的共形能力，使得其皮膚接觸阻抗低至商業(yè)電極Vitrode的30%左右。彈性體上熱蒸鍍形成的微裂紋金膜被廣泛用于應(yīng)變傳感器，而CoupOn復(fù)合貼片中脆性鈦金屬納米薄膜和水凝膠的引入進(jìn)一步提高了其應(yīng)變靈敏系數(shù)約10倍，且拉伸率仍維持在100%以上。

圖2.細(xì)胞粘附啟發(fā)的四層復(fù)合貼片CoupOn

  該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以前臂淺屈肌 (flexor digitorum superficialis (FDS) muscle) 為對(duì)象，系統(tǒng)驗(yàn)證了肌肉的局域力電耦合特征與手部動(dòng)作的關(guān)聯(lián)性，并發(fā)現(xiàn)力電耦合特征和效率不僅與監(jiān)測(cè)位點(diǎn)相關(guān)，同時(shí)受動(dòng)作力度和速度的影響(圖3)。前臂淺屈肌通過其位于腕隧道下的肌腱與食指、中指、無名指和小拇指的掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié)相連，并控制四個(gè)手指的彎曲動(dòng)作。他們發(fā)現(xiàn)，在最小力度的握拳動(dòng)作中 (minFist) 僅產(chǎn)生一個(gè)明顯的應(yīng)變平臺(tái)，而在最大力度的握拳動(dòng)作中 (maxFist) 則產(chǎn)生了相對(duì)略高的應(yīng)變平臺(tái)以及一個(gè)顯著的肌電信號(hào)峰，這也驗(yàn)證了單一肌電信號(hào)用于手勢(shì)識(shí)別存在盲區(qū)。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，同樣完成maxFist動(dòng)作時(shí)，位于肌肚處同位于肌腱處的貼片應(yīng)變信號(hào)差異顯著；位于肌腱處的應(yīng)變包含更多細(xì)節(jié)，甚至可以用于輔助識(shí)別單個(gè)手指的彎曲，這也驗(yàn)證了抓取力電耦合特征時(shí)局域性的必要性。通過比對(duì)11名志愿者在對(duì)抗不同力度握力計(jì)的激發(fā)-收縮特征，該研究團(tuán)隊(duì)亦發(fā)現(xiàn)這種耦合效率存在個(gè)體差異；而普遍的規(guī)律是，力電耦合效率會(huì)因動(dòng)作力度而異，其中應(yīng)變信號(hào)對(duì)低力度端動(dòng)作更靈敏，而肌電信號(hào)對(duì)高力度動(dòng)作更為靈敏。除了監(jiān)測(cè)位點(diǎn)和力度外，該團(tuán)隊(duì)亦發(fā)現(xiàn)握拳速度對(duì)肌肉的力電耦合的影響(圖4)。相較于快速握拳(1秒內(nèi))，慢速握拳(2秒以上)產(chǎn)生的應(yīng)變僅下降不到10%，而其對(duì)應(yīng)的肌電信號(hào)則顯著下降了近35%。

圖3.復(fù)合貼片CoupOn捕捉的激發(fā)-收縮特征對(duì)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)、動(dòng)作力度的響應(yīng)

圖4.復(fù)合貼片CoupOn捕捉的激發(fā)-收縮特征對(duì)動(dòng)作速度的響應(yīng)

  基于該力電耦合界面對(duì)抓握動(dòng)作中力度和速度的響應(yīng)性，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步正交識(shí)別了抓握物體時(shí)四類情況，并操縱機(jī)械手復(fù)制對(duì)應(yīng)抓握動(dòng)作的動(dòng)態(tài)過程(圖5)。實(shí)際抓握過程被粗略分為兩個(gè)步驟：1）手掌包覆目標(biāo)物，不施加抓握力(minFist);2)施加抓握力，抓起目標(biāo)物。通過控制這兩個(gè)步驟的動(dòng)作速度，該團(tuán)隊(duì)抓取了四類抓握情況的力電耦合過程，即慢包慢握，慢包快握，快包慢握和快包快握。并轉(zhuǎn)變成機(jī)器指令控制機(jī)械手完成同樣抓握動(dòng)態(tài)過程。

圖5.復(fù)合貼片CoupOn用于械手動(dòng)態(tài)控制

  此外，CoupOn復(fù)合貼片亦可用于區(qū)分神經(jīng)性肌肉疲勞和代謝性肌肉疲勞。在神經(jīng)性肌肉疲勞發(fā)生時(shí)，肌電信號(hào)峰值幅度逐漸下降且信號(hào)頻率向低頻段轉(zhuǎn)移，但無明顯應(yīng)變回降。而發(fā)生代謝性疲勞時(shí)，研究對(duì)象逐漸無法維持抓握動(dòng)作并伴隨應(yīng)變的逐步回降甚至肌肉顫抖。此外，在連續(xù)代謝性疲勞時(shí)，由于肌肉內(nèi)充血作用，單次應(yīng)變信號(hào)的初始峰值亦隨著疲勞次數(shù)下降，可用于定性判斷代謝性疲勞歷史。

  陳曉東教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的局域性力電耦合界面，通過抓取肌肉動(dòng)作中同時(shí)同地的激發(fā)-收縮特征，準(zhǔn)確識(shí)別了手勢(shì)動(dòng)作的幅度、力度、速度，甚至疲勞程度，為更加靈巧準(zhǔn)確的人機(jī)交互提供了新的思路。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15990-7