盘点顶尖智能假肢:电动足踝像真腿一样弹起

2021-08-26 12:18

恢复新肢体:由尖端技术制成的机械臂由20个微型电机驱动,可以前所未有的精度模拟活体肢体的运动,用户可以通过神经脉冲进行控制。记录触感的传感器甚至安装在手臂上。

随意发:阿曼达?手术将济慈的残肢重新附着于神经后,肌肉仍能活动,传感器阵列记录到这一点。下一代假肢可以服从传递的肌肉信号,越来越接近自然的血肉。

新眼睛睁开:79岁的乔,眼皮是在麻醉下睁开的?安。新的硬件被植入路易斯的眼球内和眼球周围,与计算机合作将图像传输到她的大脑。电子设备绕过了受损的感光细胞,于是这位来自德克萨斯州的盲人在他的眼睛里发现了一些明亮的——闪烁的线条、模糊的形状和令人眩晕的肿块。“我不能像你一样看得那么清楚,”她说。“这项技术刚刚起步。”

关键词:生物电子学,一门研究利用机械系统来执行生物体或生物体某些器官功能的学科。

在美国田纳西州诺思维尔附近的儿童之家学习中心,阿曼达?济慈一进教室就被四五岁的孩子围住了。“嘿,我的宝宝今天怎么样?”她说,拍拍这个人的肩膀,抚摸那个人的头发。阿曼达是一位身材苗条、精力充沛的女性,她经营这家托儿所和另外两家托儿所已经快20年了。她蹲下来和一个小女孩说话,双手放在膝盖上。

“机器手臂!”孩子们喊道。

“你还记得这个。”阿曼达说,伸出她的左臂。她张开手掌,发出轻微的嗡嗡声,如果她不注意,她就听不见。她弯下胳膊肘,又是一阵嗡嗡声。

“让它做点傻事吧!”一个女孩说。“傻吗?还记得我是怎么和你握手的吗?”阿曼达说,伸展她的手臂,转动她的手腕。一个男孩犹豫地伸出手,摸了摸她的手指。他摸的是肉色的塑料,手指微微向内弯曲。皮肤下面是三个马达、一个金属框架和一个复杂的电子系统。这个设备的顶部是一个白色的塑料盖,它附着在阿曼达的二头肌中间,覆盖着一个残肢——。这几乎是她在2006年车祸中失去的唯一一条左臂。

差不多,但不仅仅是这样。在她的大脑中,在意识层面下,仍然有一个手臂的美好形象,就像幽灵一样。当阿曼达试图弯曲她的胳膊肘时,幽灵的胳膊动了。神经脉冲从她的大脑迅速扩散,并被白色塑料盖中的电极传感器接收,并转换成电机启动的信号,因此机器人手臂的肘部弯曲。

“其实,我不用去想。我会让它直接移动。”40岁的阿曼达说。除了这个标准假肢,还有一个更具实验性和可控性。“出了车祸后我失魂落魄,不明白老天为什么对我这么狠。但是这几天我总是兴高采烈,因为他们在不断改进这只手臂。有一天我可以用它来感知事物,或者在孩子们唱歌,我拍手的时候找到合适的节拍。”

即使肌肉和骨骼受损或丢失,曾经控制它们的大脑区域和神经也会继续存活。阿曼达就是一个活生生的例子。对于很多残疾人来说,断肢对应的脑区和神经都在等待联系,就像电话被扯掉时的电话线一样。医生已经开始使用神奇的外科手术将这些人体结构与摄像机、麦克风、马达和其他设备连接起来,供患者使用。所以,盲人可以看,聋人可以听,阿曼达可以用双手做家务。阿曼达。济慈是“明天的人类”的一员。这个群体的身体部分缺失或受损,取而代之的是嵌入神经系统并遵循大脑指令的装置。他们使用的机器被称为神经假体,或——。科学家们越来越喜欢使用流行词——生物电子设备。埃里克。施伦普自从1992年在跳水中摔断脖子后就一直四肢瘫痪。现在,他可以通过植入皮下的电子设备移动手指和握住叉子。乔?安。路易斯是一个盲人妇女,但她可以借助与视觉神经沟通的微型摄像机看到树木的轮廓。艾登,一岁半?肯尼,现在他可以听妈妈说话并回答了,因为这个天生耳聋的男孩耳朵里有22个电极,可以将麦克风收集的声音转换成听觉神经可以读取的信号。

这是一项细致的工作,需要一系列的实验,而且错误百出。虽然科学家理解将机器与想法联系起来的可能性,但他们也知道保持这种联系有多困难。比如阿曼达断臂上的塑料盖移位,哪怕只是一点点,也可能会让她无法合上手指。尽管如此,生物电子设备仍然代表着科学技术的巨大飞跃,研究人员现在可以恢复残疾人以前从未想过的身体功能。

“这项工作的核心就在这里:修复。”约瑟夫,美国神经病学和中风研究所神经工程主任。潘克拉齐奥说:“一个脊椎受伤的病人可以不被喂饭就去餐馆吃饭,别人看不出区别。这就是我对成功的定义。”

罗伯特在芝加哥康复中心(RIC)?在利普舒尔茨的办公室里,人类试图修复身体的历史以人工手、腿和脚的形式陈列在货架上。“人工手臂的基本技术在过去100年里没有太大变化,”他说。“材料不同。我们只用塑料代替皮革,但基本结构保持不变:一堆挂钩和铰链,由绳索或电机驱动,由杠杆控制。很多从伊拉克回来的没有胳膊没有腿的人,都收到了这样一个家伙。来,穿上试试。”利普舒尔茨从架子上拿出一个塑料壳给了我。

原来是左肩臂的假肢。肩部是胸甲,用带子固定在胸部;手臂铰接在肩部和肘部,末端是金属夹。要伸出手来,你必须把头转向左边,用下巴按下操纵杆,然后用一点投掷动作把手伸出来。虽然很尴尬。和死水槽。20分钟后,因为奇怪的姿势和剧烈的压杆运动,脖子开始疼痛。许多截肢者最终相互敬而远之。

“有时候我不愿意把这种东西给病人,”利普舒尔茨说,“因为我们真的不知道它是否能有所帮助。”他和康复中心的其他同事认为阿曼达更有用。

基茨自愿试用的那种义肢——实施操控的是大脑,而不是正常情况下与伸手动作无关的身体部分。有种名为“靶向肌肉神经支配重构”的技术,利用截肢后残存的神经来控制人工肢体,于2002年首次在一位患者身上试用。四年后,阿曼达出了车祸在医院里卧床时,她丈夫汤米? 基茨从网上读到了相关报道。事故发生时,一辆卡车撞烂了她的车,也挤碎了她肘部以下的左臂。
  “那时我恼怒、伤心,了无生趣。我就是接受不了。”她说。但汤米跟她说了芝加哥有人装新型义肢的事,带来一线希望。“当时看来这是我们的最佳选择了,比粗笨的普通假臂强得多。”汤米说,“阿曼达听说后竟也兴奋起来。”很快他们就坐上了去往芝加哥的飞机。
  托德? 库伊肯是芝加哥康复中心的一名内科医生兼生物医学工程师,负责生物电子假臂的开发。他知道,截肢者残臂内的神经仍能传递来自大脑的信号。他也知道,义肢内的电脑可以指挥电动机发出动作。问题在于怎样建立联系。神经传导电信号,却不能直接连在计算机的数据线上。(神经纤维与金属导线工作起来不搭调,而且导线接入身体处的开放伤口会成为感染入侵的高危通道。)
  库伊肯需要找一种放大器来增强神经带来的信号,这样便不必直接求之于神经。他在肌肉中找到了。肌肉收缩时会释放出一股电脉冲,足以被贴在皮肤上的电极感应到。他开发出一种技术,把被切断的神经从原来的肢体损毁处移走,转接到有适当的信号放大功效的其他肌肉。
  2006年10月,库伊肯开始为阿曼达接驳。第一步是把早先分布在整条手臂中的主要神经保住。“这些神经原本就负责胳膊和手的运作,但如今我得另外找出四个肌肉区域,把它们转接过去。”库伊肯说。这些神经发端于阿曼达的大脑运动皮质(这里存有肢体的大略图像),在残臂的末端戛然而止,正如被切断的电话线。通过繁复的手术,它们被一名外科医生重新接入上臂肌肉的不同区域,并在之后几个月中一毫米一毫米地生长,在各自的“新家”中扎根。
  “三个月后我开始感到轻微的刺痒和抽搐,”阿曼达说,“四个月后,我触碰上臂的时候竟真能感觉到手的不同部位。我在不同的位置摸摸,感觉对应着一根根手指。”她感受到的其实是嵌在大脑中的那条“幽灵手臂”,它如今又连上了血肉。阿曼达心里想着挪动“幽灵手指”时,上臂的真实肌肉就会收缩。
  又过了一个月,她装上了自己的第一只生物电子手臂,电极藏在断臂外围的塑料罩中,捕捉肌肉的信号。此时的挑战在于如何把这些信号转化为活动肘部和手掌的指令。从阿曼达那一小段上臂中涌出了庞杂的电子“噪音”,其中夹杂着“伸直肘部”或“转动手腕”这样的信号。安装在假臂内的微处理器必须经过周密编程,才能拣出正确的信号,发送给相应的马达。
  因为有阿曼达的“幽灵手臂”,筛选这些信号才成为可能。在康复中心的一间实验室中,工程师布莱尔? 洛克负责完成编程的细小调整。他让阿曼达卸下假臂,在她的残臂上贴满电极。她站在一台大平板电视前,屏幕显示着一只浮在蓝色背景上的手臂——这就是“幽灵手臂”的映像。电极接收阿曼达的大脑发给残臂的指令,屏幕上的手臂就会动。
  洛克压低嗓音——以免妨碍阿曼达集中精神——让她把手翻过来,掌心向内。在屏幕上,手掌翻动,掌心向内。“现在伸直手腕,掌心向上。”他说。屏幕上的手又动了。“是不是比上次好?”她问。“对呀,信号很强。”阿曼达笑了。接下来洛克让她把拇指与其余四指并拢。屏幕上的手照做了。阿曼达睁大了眼睛:“哎呀,我之前都不知道自己能这样做!”一旦与某个特定动作对应的肌肉信号被识别出来,就可以设定假臂的计算机程序,使之搜寻这种信号,并在寻获时激活相应马达。
  阿曼达练习使用假臂的地方就在库伊肯的办公室楼下,是一间由作业治疗师安设的公寓,里面有初获假肢的残疾人日常可能用到的各种器具。带炉灶的厨房,放金属餐具的抽屉,睡床,配衣架的橱柜,洗手间,楼梯——都是人们每天不经意使用着的器物,但对失去某段肢体的人来说却产生了巨大的阻力。阿曼达做花生酱三明治的动作能看得人目瞪口呆。她把袖子卷起来,露着假臂的塑料罩,动作十分流畅:用那只完好的手臂托起一片面包,用假臂的手指抓起刀子,手肘弯曲,一来一去地抹着花生酱。
  “刚开始的时候也不容易,”她说,“我努力活动,手却常常走不对地方。”但她下功夫练习,假臂用得越多,动作就变得越自然。阿曼达现在最想要的是假臂的知觉。它会对许多活动大有帮助,包括她最喜欢做的一件事——喝咖啡。“纸杯的毛病在于,我的假手抓东西时会一直收拢,直到握紧才停下来,而拿着纸杯不可能握紧。”她说,“有一回在星巴克就出了洋相,用假手去抓纸杯,‘扑’的一下捏爆了。”
  库伊肯说,她大有希望得到这种知觉,还是要靠她的“幽灵手臂”。芝加哥康复中心与约翰? 霍普金斯大学应用物理学实验室的生物工程师合作,一直在为阿曼达这样的患者开发一种新型义肢,它不仅更灵活——拥有更多马达和关节——指端还有压力感应垫。一些类似活塞杆的细棒与感应垫相连接,抵住阿曼达的残肢。
  手上受力越大,“幽灵手指”的感觉就越强烈。“这样我就能察觉手握得有多紧了。”她说。通过细棒振动的速度,她还能区分手指摸过的物体是粗糙(比如砂纸)还是光滑(比如玻璃)。“我去芝加哥试用了一下,非常喜欢。”她说,“我都希望他们现在就让我拿回家去。可是它比我在家用的假肢复杂得多,他们还不能放心地交给我。”埃里克? 施伦普与阿曼达不同,他不需要假肢,只需要让自己天生的手臂复工——自从施伦普在1992年摔断脖子变成四肢瘫痪,它们就没自己动弹过。然而,如今这名40岁的俄亥俄男子能捏起刀叉了。
  他能这么做,要归功于凯斯西储大学的生物医学工程师亨特? 佩卡姆开发的一种植入装置。“我们的目标是恢复手的抓握能力。”佩卡姆说,“动手是独立生活的关键。”
  施伦普的手指肌肉和控制它们的神经依然存在,但从大脑传来的信号到颈部就被截断了。佩卡姆带领其他工作人员从施伦普的胸部插入八根微细的电极,在右臂的皮下一路走到手指肌肉。他胸前的肌肉收缩时,会引发一个信号,经由无线发射器传给挂在他轮椅上的小型电脑,后者将信号解读后传回植入他胸部的接收器,再由导线顺着手臂传到手上,于是信号命令手指的肌肉收紧、握拢——这一切都在1微秒内完成。“我能抓起叉子自己吃饭了,”施伦普说,“这意义重大。”


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