智能假肢的技术原理
(2)具有良好的仿真造型，美观耐用。更有用的，也是阿曼达·济慈自愿试用的那种假肢——大脑被操纵，而不是正常情况下与伸手无关的身体部分。有一种技术叫“靶向肌肉神经支配重建”，利用截肢后残留的神经来控制假肢。它于2002年首次在病人身上试用。四年后，当阿曼达因车祸卧床时，她的丈夫汤米·济慈在网上读到了这件事。事故发生时，一辆卡车撞上了她的车，压坏了她的左臂肘部以下。
在美国田纳西州诺斯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团团围住。“嘿，我的宝贝们今天怎么样？”她说，拍着肩膀，抚摸着头发。阿曼达是一个苗条而充满活力的女人，她经营这家托儿所和另外两家已经将近20年了。她弯腰和一个小女孩说话，双手放在膝盖上。
“机械臂！”几个孩子喊道。
“你记住这个。”阿曼达说，伸出她的左臂。她把手掌向上张开，伴随着轻微的嗡嗡声，不注意听不到。她弯下胳膊肘，又是一阵嗡嗡声。
“让它干点傻事！”一个女生说。“傻？还记得我是怎么和你握手的吗？”阿曼达说，伸出她的胳膊，转动她的手腕。一个男孩犹豫地伸出手，摸了摸她的手指。他摸了摸肉色的塑料，手指微微向内弯曲。在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。在这个设备的顶部是一个白色的塑料盖，它连接在阿曼达的二头肌中间，覆盖着一个残肢——这几乎是她在2006年的一场车祸中失去的左臂的唯一一个残肢。
差不多，但没那么多。在她的大脑中，在意识层面之下，仍然有一个完好的手臂的图像，像一个幽灵。当阿曼达想弯肘的时候，鬼臂动了。神经脉冲从她的大脑迅速传播，被白色塑料盖中的电极传感器接收到，并转换成电机启动的信号，因此机器人手臂的肘部弯曲。
“事实上，我没有去想它。我会让它动起来。”40岁的阿曼达说。除了这种标准假体，还有一种更具实验性和可控性的假体。“车祸之后我就走出来了，我不明白为什么上帝对我这么残忍。但这几天我总是兴致勃勃，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鼓掌的时候找到合适的时机。”
“那时候，我又气又难过又无聊。我就是接受不了。”她说。但汤米告诉她，芝加哥有人安装了新的假肢，这带来了一丝希望。“当时看起来这是我们最好的选择，比笨拙的普通义肢强多了。”汤米说:“阿曼达听到这件事时变得很兴奋。”不久他们登上了去芝加哥的飞机。
阿曼达·基茨是“明日人类”的一员。这个人群的身体部分缺失或受损，取而代之的是一个植入神经系统的装置，服从大脑的指令。例如，如果阿曼达断臂上的塑料盖被移动，即使是一点点，也可能使她无法合拢手指。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过去做梦也想不到的身体功能。
“这是这项工作的核心:修复。”美国神经病学和中风研究所神经工程主任约瑟夫·潘克拉齐奥(Joseph Pancrazio)说，“一个脊髓损伤的病人可以在没有人喂的情况下去餐馆吃饭，其他人看不出有什么不同。这是我对成功的定义。”
在芝加哥康复中心(RIC)的罗伯特·利普舒尔茨的办公室里，人类试图修复身体的历史以人造手、腿和脚的形式陈列在架子上。“在过去的100年里，假肢的基本技术没有太大变化，”他说。“材料不同。我们只是用塑料代替了皮革，但基本结构还是一样的:一堆钩子和铰链，由绳子或马达驱动，由杠杆控制。很多从伊拉克回来没胳膊没腿的人都得到了这样一个家伙。来，穿上试试。”
原来是左肩的义肢。肩膀那部分是胸甲，用带子固定在胸前；手臂在肩肘处铰接，末端是金属夹。要伸手，你得把头转向左边，用下巴按下一个操纵杆，再用一点投掷的动作把手甩出去。要说有多尴尬，真的很尴尬。也死了。20分钟后，我的脖子开始酸痛，因为我奇怪的姿势和剧烈的压吧动作。很多截肢者终于远离了这种人造手臂。
托德·库伊肯(Todd Kuiken)是芝加哥康复中心的内科医生和生物医学工程师，他负责生物电子义肢的开发。他知道截肢者残臂中的神经仍然可以传递来自大脑的信号。他还知道假肢里的电脑可以指挥马达做出动作。问题是如何建立联系。神经传导电信号，但不能直接连接电脑的数据线。神经纤维与金属线不协调工作，与体内开放性伤口相连的导线会成为感染和入侵的高危通道。)
奎肯需要找一个放大器来增强神经带来的信号，这样就不用直接问神经了。他在肌肉中发现了这种物质。当肌肉收缩时，它会释放出电脉冲，这种电脉冲足以被附着在皮肤上的电极感应到。他开发了一种技术，将切断的神经从原来的肢体损伤中取出，并转移到其他具有适当信号放大效应的肌肉中。从5438年6月到2006年10月，库伊肯开始连接阿曼达。第一步是保留之前分布在整个手臂的主要神经。“这些神经原本负责手臂和手的操作，现在我不得不找到另外四个肌肉区域，把它们转移过来。”库依肯说。这些神经起源于阿曼达的运动皮层(那里有肢体的粗糙图像)，在残肢的末端戛然而止，就像一根被切断的电话线。通过复杂的手术，他们被一名外科医生重新连接到上臂肌肉的不同区域，并在随后的几个月里一毫米一毫米地生长，在各自的“新家”生根发芽。
“三个月后，我开始感到轻微的瘙痒和抽搐，”阿曼达说。“四个月后，当我触摸上臂时，我真的可以感觉到我手的不同部位。我在不同的位置摸了摸，感觉像手指。”她感受到的，其实是嵌在她大脑里的“幽灵手臂”，现在和血肉相连。阿曼达认为当移动“幽灵手指”时，上臂的真正肌肉会收缩。
又过了一个月，她安装了她的第一个生物电子手臂，电极藏在断臂周围的塑料盖中，以捕捉肌肉信号。此时的挑战是如何将这些信号转换成移动肘部和手掌的命令。从阿曼达短短的上臂，涌出大量电子“噪音”，夹杂着“伸直手肘”或“转动手腕”等信号。安装在假肢上的微处理器必须仔细编程，以挑选出正确的信号，并将其发送到相应的电机。
因为阿曼达的“鬼臂”，过滤这些信号是可能的。在康复中心的一个实验室里，工程师布莱尔·洛克负责对程序进行小的调整。他要求阿曼达移除假肢，并在她的残臂上安装电极。她站在一台大型平板电视前，屏幕上显示一只手臂漂浮在蓝色背景上——这就是“幽灵手臂”的形象。电极接收到阿曼达大脑给残臂的指令，屏幕上的手臂就会动起来。
洛克降低了声音——以免干扰阿曼达的注意力——让她把双手翻过来，掌心向内。屏幕上，手掌转动，掌心向内。"现在伸直你的手腕和手掌."他说。屏幕上的手又动了。“比上次好吗？”她问。“是的，信号很强。”阿曼达笑了。接下来，洛克让她把拇指和其他四个手指放在一起。屏幕上的手做到了。阿曼达睁大了眼睛。“咦，我以前不知道我会这个！”“一旦识别出与特定动作相对应的肌肉信号，就可以设置假肢的计算机程序来搜索这个信号，并在找到时激活相应的电机。
阿曼达练习使用假肢的地方就在库伊肯办公室的下面。它是由职业治疗师设置的公寓，里面有刚刚获得假肢的残疾人每天可能用到的各种器具。带灶台的厨房，带金属餐具的抽屉，床，带衣架的橱柜，卫生间，楼梯——这些都是人们日常随便用的物件，却对失去一条肢体的人有着极大的抵抗力。阿曼达做花生酱三明治的动作能让人目瞪口呆。她卷起袖子，露出义肢的塑料盖，动作非常流畅:用完好的手臂举起一片面包，用义肢的手指抓住刀，弯曲手肘，一个一个地擦拭花生酱。
“一开始并不容易，”她说。"我很努力，但是我的手经常放在错误的地方。"但她努力练习，越用义肢，动作越自然。阿曼达现在最想要的是假肢的观感。对很多活动都会有很大的帮助，包括她最喜欢的事情之一——喝咖啡。“纸杯的问题是，我的假手在抓东西的时候会一直合拢，直到握紧，不可能把纸杯握得很紧。”她说，“我有一次在星巴克出丑，我用假手抓住纸杯，我的‘跳’爆了。”
奎肯说，她有很大的希望获得这种感知，她仍然依靠她的“鬼臂”。芝加哥康复中心与约翰·霍普金斯大学应用物理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假肢，这种假肢不仅更灵活——有更多的电机和关节——而且指尖还有压敏垫。一些类似活塞杆的细杆连接在感应垫上，压在阿曼达的残肢上。
手上的力越大，“鬼指”的感觉越强烈。“所以我能感觉到我的手有多紧。”她说。通过细棒的振动速度，她还能分辨出手指接触的物体是粗糙的(比如砂纸)还是光滑的(比如玻璃)。“我在芝加哥试过，非常喜欢。”她说，“我希望他们现在能让我把它带回家。但是，比我家里的假肢复杂多了，他们也不能放心地给我。”埃里克·施伦普和阿曼达不一样。他不需要假肢。他只需要让他天生的手臂恢复工作——自从施伦普在1992年摔断脖子变成四肢瘫痪后，它们就没动过。然而，现在这位40岁的俄亥俄州男子可以拿起刀叉了。
他能做到这一点，要感谢凯斯西储大学生物医学工程师亨特·佩卡姆开发的植入装置。"我们的目标是恢复手的抓握能力."佩卡姆说，“事必躬亲是独立生活的关键。”
施伦普的手指肌肉和控制它们的神经仍然存在，但来自大脑的信号被切断到颈部。佩卡姆带领其他工作人员从施伦普的胸部插入八个微小的电极，一路走到他右臂皮肤下的手指肌肉。当他胸部的肌肉收缩时，就会触发一个信号，这个信号会通过无线发射器传送到挂在他轮椅上的小型电脑上。后者会对信号进行解释，并将其发送回植入他胸部的接收器，然后通过沿着他手臂的电线传输到他的手上，因此信号会命令他手指的肌肉收紧并握在一起——这一切都在1微秒内完成。“我可以拿起叉子自己吃东西，”施伦普说。“这意义重大。”
大约有250人接受了这种仍处于试验阶段的技术的治疗。但另一种生物电子设备表明，大脑和机器的结合可以是强大的，经得起时间的考验。在过去的30年里，全世界有近20万人安装了它。这是耳蜗植入装置。艾登·肯尼是接受植入手术的患者之一。他的母亲Tammy Kenny记得她得知她的孩子甚至不能使用助听器。“我只是抱着他哭了，”她说。“我知道他听不到我的声音。他以后怎么跟我交流？有一次，我老公用两个铁锅打对方，希望他有点反应。”艾登根本没有听到噪音。
他能听到你。2009年2月，约翰霍普金斯大学的外科医生在每个耳蜗(耳蜗是内耳结构，通常负责感知声波)中放置了一根带有22个电极的细线。艾丹的麦克风接收到声音，将信号发送到电极，电极将信号直接传输到神经。
“手术后一个月，医生开始植入的那天，我们发现他对声音有反应。”塔米·肯尼说:“他会把头转向我的声音，这太神奇了。”2009年，他正在配合therapeutics说话，并迅速赶上听力健全的同龄人。
耳蜗装置之后，生物电子眼可能很快就出来了。几年前，视网膜色素变性剥夺了乔·安·刘易斯的视力。这种疾病会破坏眼睛中负责感光的视杆细胞和视锥细胞。然而，她恢复了部分视力，这要归功于眼科医生马克·霍马扬(Mark Homayoun)的研究。
患有这种眼病的患者通常有一部分内层视网膜完好无损，就像乔·安·刘易斯一样。这层视网膜充满了双极细胞和神经节细胞。正常情况下，它会从外视杆细胞和视锥细胞收集信号，然后传递给视觉神经发出的纤维。在更早的时候，没有人知道内层视网膜使用什么样的信号，或者如何传输它可以解释的图像。从65438年到0992年，Homayoun开始在手术过程中在这类患者的视网膜中安装微小的电极阵列，这个实验持续的时间很短。
"我让他们用眼睛追踪一个点，他们照做了."他说，“他们可以看到成行成列的东西。”经过又一个十年的实验，马云和他的同事们开发出了一个名为Argos(希腊神话中有数百只眼睛的巨人)的系统。患者戴着一副带有微型摄像头和无线发射器的太阳镜。图像信号被发送到腰带上的计算机，转换成神经节细胞可以读取的电脉冲，然后发送到放置在耳朵后面的接收器。从那里，一根导线被引入眼睛，通向轻轻附着在视网膜表面的正方形16电极阵列。脉冲激发电极，电极激发细胞，然后大脑做剩下的工作，让第一批接受治疗的患者看到物体的边缘和大致轮廓。
2006年秋，胡和他的公司第二视觉加入了一个国际团队，将阵列中的电极数量增加到60个。像像素更多的相机一样，新阵列可以产生更清晰的图像。来自德克萨斯州的刘易斯是第一批获得新阵列的患者之一。“现在我又能看到树的轮廓了，”她说。“我记得那是我失明前看到的最后一样东西。现在我可以看到树枝向四面八方伸出来。”
研究人员将神经假体的概念向前推进了一步，并开始用它来辅助大脑本身。参与一项“大脑门”项目的科学家们正试图将完全丧失行动能力的患者的运动皮层直接连接到计算机上，使他们能够用意念操纵外部物体。受试者已经能够以这种方式移动计算机屏幕上的光标。研究人员甚至计划开发一种人工海马体来取代人脑中存储记忆的海马体结构，并将其移植到健忘症患者身上。
不是所有的事情都会如此顺利。在首批接受“大脑门”治疗的四名患者中，有一人后来决定移除电脑连接器，因为它干扰了其他医疗设施，乔·安·露易斯表示，她的视力还没有恢复到足以安全过马路的程度。然而，阿曼达的断臂被装上了更有弹性的新塑料盖，控制手臂的神经和电极得到了更好的调整。
“这意味着我可以用我的假肢做更多的事情。”她说:“芝加哥新开了一个，可以让我做很多不同的抓握动作。我想用它。我希望我能用我的假手捡起硬币、锤子和玩具。”库伊肯说，这并不是奢望。“我们给病人带来辅助生命的工具，比他们以前用的好，但还是太差，比不上人体结构的精致。它们在大自然面前就像阳光下举着的蜡烛一样微不足道。”
(智能假肢；智能假肢.
埃里克·施伦普自从在1992年的一次跳水中摔断了脖子后就四肢瘫痪了。他可以通过植入他皮肤下的电子装置来移动手指和拿叉子。乔·安·刘易斯(Joe Ann Lewis)是一名盲人，但她可以在与视觉神经沟通的微型相机的帮助下看到树木的轮廓。一岁半的艾丹·肯尼(Aidan Kenny)可以听妈妈说话并回答，因为这个天生失聪的男孩耳朵里有22个电极，它们将麦克风收集的声音转换成听觉神经可以读取的信号。2013 10 11，一款智能动态假肢亮相中国国际福利博览会。这款由北京市残联和北京大学联合研发的残疾人辅助器具，配有电机芯片。与普通假肢相比，它可以更轻松地推动残疾人行走，并可以自由旋转，方便残疾人上下楼梯，使残疾人行走更加平稳、自然。由于没有量产，所以还没有定价。当日，2013中国国际福利博览会在国展举行，来自16个国家和地区的270余家企业参展，* * *展出各类辅助器具8800余件。展览将持续到12。