机器人要真正融入人类生活，一双灵巧的手必不可少。

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）软体机器人实验室的研究团队，用3D打印技术造出了一只高度仿生的机械手臂，不仅在设计上抛弃了传统的机械构型，更用22块独立控制的气动人工肌肉（PAMs）取代了传统电机驱动。

这套系统最大的亮点在于，研究团队完全按照人体解剖学结构设计，从MRI扫描数据中提取了真实的骨骼形状和肌肉锚点位置。手部包含刚性骨骼、柔性关节囊、肌腱和触觉传感器，前臂则精确复制了人类前臂的肌肉分布。

更关键的是，整个手臂采用视觉控制喷射（Vision Controlled Jetting）技术一次打印成型，无需复杂的组装过程，只需连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

传统机械手多采用电机驱动，虽然控制精确，但体积庞大、刚性强，在人机协作场景中存在安全隐患。而这次ETH团队开发的气动人工肌肉，最大应变率可达30.1%，在0.5 MPa压力下最大输出力达38.05 N，性能已经接近当前最先进的McKibben型人工肌肉。

研究人员采用了一种巧妙的设计：将直径1.5mm的硅胶管插入聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）编织套管中。硅胶管的断裂伸长率高达540%，Shore A30的硬度确保了足够的柔韧性。当充气加压时，编织套管限制径向膨胀，迫使肌肉纵向收缩。

整个人工肌肉的材料成本仅为3.45美元/米，相比商用产品大幅降低。制作过程也相当简单：将硅胶管插入编织套，两端用钓鱼线打结密封，一端连接气源，另一端直接作为肌腱使用。

在实际测试中，单个手指的指尖力可达1.95±0.15 N，抓握力为2.97±0.25 N。虽然与人类中等强度抓握（24 N）还有差距，但已经足够完成大部分日常操作任务。

02.

高度还原人体解剖结构，灵巧性媲美顶尖机械手

为了实现高度仿生，研究团队从BodyParts3D数据库获取了人体右前臂的MRI扫描数据，精确建模了骨骼形状、肌肉附着点和肌腱走向。

在肌肉配置上，团队重点复制了控制手指主要运动的外在肌群：

• 指深屈肌（FDP）和指浅屈肌（FDS）：负责手指弯曲
• 指伸肌（ED）：负责手指伸直
• 拇长屈肌（FPL）和拇长伸肌（EPL）：控制拇指运动
• 拇展肌（AP）和拇对掌肌（OP）：实现拇指对掌功能
   

特别值得一提的是腕关节和拇指腕掌关节的设计。腕关节通过7条独立肌腱连接5块不同的骨骼，拇指腕掌关节则采用马鞍关节设计，确保了拇指的灵活对掌运动。

在功能测试中，机械手在Kapandji测试中获得6分（满分10分），成功实现了拇指与所有手指指尖的接触。小指的关节活动范围测试显示，掌指关节可弯曲至90.9°，近端指间关节达87.1°，远端指间关节达45.0°。

论文作者指出，尽管这一分数低于理想的人类表现，但其拇指展现出的良好对掌能力，已经“与高度拟人化的顶尖机械手处于同一水平”。

03.

触觉感知让抓握更智能，应用前景广阔

除了灵活的运动能力，研究团队还在指尖和手掌集成了气动触觉传感器。这些传感器腔体在3D打印过程中直接成型，通过细管连接到压力传感器。

当物体接触传感器表面时，腔体受压导致内部气压上升。系统设定4 kPa的压力阈值，一旦超过阈值，对应手指的屈肌气压就会保持恒定，实现自适应抓握。这种控制策略让每根手指都能根据物体形状独立调节弯曲程度。

在实际演示中，机械手成功抓取了从硬币、螺丝钉等小物件，到网球大小的球体、272克重的喷雾罐等各种物体。精确抓握、力量抓握和中间抓握等多种抓取模式都能流畅实现。

当然，这套系统仍有改进空间。打印材料的抗拉强度（45 MPa）远低于人体皮质骨（133 MPa），关节囊在约50次弯曲后出现磨损。气动系统所需的泵和阀门也比较笨重，限制了系统的移动性。

研究团队表示，未来将重点改进设计以提高抓握能力，升级触觉传感器，并探索无缆压缩空气源，让这只仿生手臂真正走向实用。

这项研究不仅推动了仿生机器人技术的发展，也为假肢设计提供了新思路。随着3D打印技术和人工肌肉材料的不断进步，或许在不久的将来，我们就能看到功能完全媲美人手的机械手臂。