意识控制义肢 精确有触觉

分类

意识控制义肢 精确有触觉

来源:广州日报 日期:2016-05-03

有触觉的机械义肢

 

  假肢,或称义肢,一直以来都是肢体残障人士恢复正常生活的重要依托。然而,传统的义肢大多只能借由感知残肢的肌肉运动完成一些简单的动作。一方面,这令义肢的佩戴很不舒适,需要长时间的磨合;另一方面,尚不够平滑流畅的义肢动作也远未能满足日常所需。随着科技的发展,如今不仅出现了直接通过大脑“意念”来操控的义肢,还能使患者通过机械义肢上的特殊装置,产生真实的身体触觉,恢复部分“真手真脚”的感觉,这无疑大大提高了肢体残障人士的生活质量。

  传统义肢吃力费劲

  意识控制应运而生

  对于肢体残缺的患者来说,义肢不仅能填补外形上的空缺,还能在一定程度上恢复一些活动。义肢技术在过去几十年里的最大变化,无非是表面用塑料或硅胶代替了皮革,内部的基本构造依旧是一堆机械部件,由弹簧或马达驱动,由操纵杆、液压或者气压装置控制。这些简单机械构造的义肢操控起来很复杂,比如残障人士要想完成伸出义肢手臂这么一个简单的动作,就必须先用下巴压住操纵杆,再加上一个类似于的抛掷动作才能把手臂甩出去。

  传统义肢的手掌和手指,不仅抓握物品相当费劲,力度也不好控制,拿捏不好的话,可以轻易捏爆一个纸杯或鸡蛋。至于上下楼梯,则更费劲了,传统义肢需要靠肌肉来带动,并且由于不能弯曲,走坡度时非常吃力。

  为了解决上述难题,传感义肢、主动义肢、神经义肢、智能仿生腿等各种发明应运而生,它们有的可以连接大脑,通过释放电信号让义肢自动协调动作,让患者自如上下楼梯;有的让义肢与神经系统直接相连,让义肢像“真手真脚”一样,消除意识和移动之间不自然的延迟现象,甚至还能将义肢手指触碰到的感觉反馈给大脑;还有的“义肢”实质上是照相机、收音等设备,与人体相连后令盲人能视,聋人能听……这些新产品绝大多数还在试验阶段,预计未来五年内可以投入市场,届时,残障患者的生活便利程度也将有极大的提高。

  新技术重新部署神经系统

  机械腿可成为人体一部分

  32岁的美国软件工程师扎克·沃特八年前因车祸右小腿截肢,成了一名只能拖着假腿行走的残障人士。如今在芝加哥康复研究所科学家的帮助下,沃特使用了一款全新的脑控机械假肢,登上了103层的芝加哥威利斯大厦,成为首个借助机械义肢登上世界最高楼之一的人。

  脑控机械腿,顾名思义,即将大脑发出的信号传递至义肢,义肢内部编译信号后做出相应动作。普通的脑控机械腿,要在患者脑内植入一个解析大脑皮层活动的电子设备,这个设备会随着时间的流逝而老化,身体也有可能对它产生排斥反应,假肢的灵敏度和准确度往往还不尽人意。

  与普通的脑控机械腿不同,沃特使用的机械腿不需要在大脑内植入任何的电极。就在沃特失去右腿时,他接受了定向肌肉神经移植术,目的就是有一天可以使用仿生假肢来实现行走。定向肌肉神经移植术等于在假肢和身体之间重新部署了神经系统,让机械腿可以非常自然地成为患者身体的一部分。在使用此机械腿之前,科学家在沃特的大腿部位放入11个电极,用于连接仿生假肢的微电脑。为了完成这次登楼活动,沃特和科学家也花费了好几个小时来调整假肢的运行。

  不过,目前能操作此项技术的医疗团队十分有限,但随着技术的发展,这项医疗技术预计在五年内能够得到大规模普及。

  人造神经元电极:连接意识和义肢

  在此之前,科学家的研发重心在于义肢的灵活度和佩戴舒适度,属于单向大脑信号的传导,少有人关注义肢本身带来的触觉等一系列反馈。也就是说,就算装上义肢,也要依靠眼睛来判断物体方位、辨别物体的形状和软硬度等,这对于盲人残障者来说非常不方便。

  今年2月,瑞士洛桑联邦理工大学的米克拉教授和意大利圣安娜高等学校的联合研发团队,通过在患者残肢中植入人造神经元电极,成功完成了义肢的触觉反馈实验,这也是神经义肢有触觉反馈的第一例人体临床试验。换句话说,虽然这种义肢外形上并无太大突破,但当残障人士用它抓住一个物品,即使闭上眼睛,也能感觉到这个物品是软的还是硬的,是圆的还是方的,是冷的还是热的。

  能够让义肢有“触觉”的关键,是一种由特殊高效导电聚合物制作的人造神经元电极。这种电极中还附带了成千上万的电信号感应器,将其植入到人体手臂残存的神经里面后,它就扮演了连接人体神经系统和义肢微电子设备的“接口”角色。用神经义肢抓握物品时,通过复杂的电脑计算,神经元电极会将义肢产生的压力电信号,转化成人体神经系统能够识别的神经脉冲信号,从而为精确控制和感知物品提供可能。

  人体临床实验的成功,可以说是触觉神经义肢从科研走向普及应用迈出的第一步,而且随着纳米传感、微电子等技术的发展,它的功能还会越来越强大,甚至在神经修复方面也被发现了潜在的治疗作用。所以,虽然科幻电影中各种灵活万能的机械手臂还远在天边,但为残障人士带来福音的“第二生命之手”已近在眼前。