血肉相连的机器:揭秘世界顶尖智能假肢

文章来源:     发布时间:2010-01-25

            

    重获新肢:以尖端科技制成的机械手臂由20个微型马达驱动,空前精确地模拟出活生生肢体的动作,使用者通过神经冲动来控制它。手臂中甚至装入了记录触觉的传感器。

                           

    随心而发:阿曼达·基茨的残肢经外科手术重新接驳神经后,肌肉仍可产生运动,并被传感器阵列记录下来。下一代的义肢能听命于转接的肌肉信号,行动越来越接近天生的血肉肢体。

                       

    新目初开:眼皮在麻醉状态下被拉开,79岁高龄的乔· 安· 路易斯眼球内部及四周植入了新的硬件,它们与一台计算机协同运作,把影像传给她的大脑。电子装置绕过损毁的感光细胞,让这位来自得克萨斯的盲人眼中找回了些许光明——闪烁不定的线条,模糊的形状,色晕的团块。“我没法像你们那样看清东西,”她说,“这种技术还只是刚刚起步。”

    在美国田纳西州诺斯维尔市附近的“少儿屋学习中心”,阿曼达· 基茨一走进教室就被四五岁的小孩们围住了。“哎,我的宝贝儿们今天怎么样呀?”她说着,拍拍这个的肩膀,抚抚那个的头发。阿曼达是位苗条而有活力的女性,经营这家以及另外两家托儿所已差不多有20年了。她蹲下身跟一个小女孩说话,把双手搁在膝盖上。

  “机器胳膊!”几个孩子叫道。

  “你们还记得这个哈。”阿曼达一边说,一边把左臂伸出来。她翻开手掌向上,伴着一阵轻微的嗡嗡声,不留心是听不出来的。她把肘部屈起,又是一阵嗡嗡声。

  “让它干点儿傻傻的事吧!”一个女孩说。“傻傻的?记得我怎么跟你们握手吗?”阿曼达说着,伸开手臂,转动手腕。一个男孩犹疑地伸出手去,碰了碰她的手指。他触到的是肉色的塑料,指端微向内屈。表皮下是三个马达,一具金属框架,和一套尖端电子系统。这装备的顶端是一个白色的塑料罩,接在阿曼达的肱二头肌中段,套住一截残肢——她在2006年一场车祸中失去的左臂差不多就只剩下这点儿了。

  差不多,但不是仅此而已。她的大脑中,在意识层面之下,还存有那条手臂的完好图像,如同幽灵。当阿曼达想着弯曲肘部的时候,这条幽灵手臂就动了。神经冲动从她的大脑中急速传出,被白塑料罩中的电极传感器接收并转换成让马达发动的信号,于是机器臂的肘部屈起来了。

  “其实我不用想着它。我就直接让它动。”40岁的阿曼达说。她使用的义肢除了这个标准型的之外,还有一个更具实验性、可控性更强的。“出车祸之后我失魂落魄,不明白上帝为什么对我这么狠。可这些天我总是兴高采烈的,因为他们在不断改良这只手臂。总有一天我能用它来感知东西,或是在孩子们唱歌我击掌的时候找准拍子。”

  即便筋肉骨骼损毁或丧失,曾经控制着它们的大脑区域及神经也会继续存活,阿曼达就是活生生的例子。对许多伤残者而言,与断肢对应的脑区和神经都在静候联络,如同话机被扯掉的电话线。医生们已开始利用神乎其技的外科手术,为患者把这些人体构造与照相机、话筒、马达之类的装置连接起来。于是,盲人能视,聋人能听,而阿曼达能双手操持家务了。阿曼达· 基茨是“明日人类”中的一员。这个人群的躯体部分缺失或损毁,以嵌入神经系统、听从大脑指令的装置来替代。他们使用的这些机器被称作神经义肢,或者——科学家们越来越喜欢用这个大众流行的词语——生物电子装置。埃里克· 施伦普自1992年在一次跳水中摔断脖子后始终四肢瘫痪,现在能靠植入皮下的一部电子装置来挪动手指,握住餐叉了。乔· 安· 路易斯是一位女盲人,却能在一架与视觉神经沟通的微型相机的帮助下,看到树木的轮廓。还有一岁半的艾登· 肯尼,现在能听妈妈说话并应答,因为这个生来失聪的男孩耳朵里有22个电极,它们把话筒采集到的声音转化成了听觉神经可以读懂的信号。

  这是一项细致入微的工作,需要经历一系列试验并且失误百出。虽说科学家们了解把机器与思想相连的可能性,但他们也懂得保持这种连接有多么困难。举例来说,如果阿曼达断臂上的塑料罩移了位,哪怕只是一点点,也有可能令她合不拢手指。尽管如此,生物电子装置仍代表着科技的一大飞跃,研究人员如今能让残疾者找回的身体机能,是他们过去想都不敢想的。

  “这项工作的核心即在于此:修复。”美国神经疾病与中风研究所的神经工程主任约瑟夫· 潘克拉齐奥说,“一个有脊柱损伤的患者能去餐厅吃饭,不用人喂,而旁人也看不出异样,这就是我对成功的定义。”

  在芝加哥康复中心(RIC)的罗伯特· 利普舒尔茨的办公室里,人类尝试修复躯体的历史以人造假手、假腿和假脚的形式展现在一座座架子上。“假臂的基本技术在过去100年里都没怎么变,”他说,“材料不一样了,大家无非是用塑料取代了皮革,但基本构造不变:一堆钩子和铰链,用绳缆或马达来驱动,用杠杆来控制。好多缺胳膊少腿从伊拉克回来的人都领到了这样的家伙。喏,戴上试试。” 利普舒尔茨从架子里拽下一只塑料壳给我。

  原来是一只左肩臂的义肢。肩膀那部分就是一块胸甲,用缚带固定在胸前;手臂在肩部和肘部以铰链连接,末端是一把金属钳。要伸出手臂,就得向左扭过头来,用下巴压住一根操纵杆,再加上一点抛掷动作把手甩出去。还真是说多别扭就有多别扭。而且死沉。20分钟之后,脖子就因为古怪的姿势和费力的压杆动作而疼痛起来。很多截肢者最后都对这种假臂敬而远之。

  “有时我很不情愿拿这种东西给患者,” 利普舒尔茨说,“因为大家实在不知道它能不能帮得上忙。” 他和康复中心的其他同事认为,比较能派上用场的,还要数阿曼达· 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,带来一线希翼。“当时看来这是大家的最佳选择了,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,她大有希翼得到这种知觉,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,“我都希翼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。“大家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。”

文转新浪科技http://tech.sina.com.cn/geo/science/news/2010-01-19/0949175.shtml

 

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