智慧型假肢

智慧型假肢，又叫神經義肢，生物電子裝置，是指醫生們利用現代生物電子學技術為患者把人體神經系統與照相機、話筒、馬達之類的裝置連線起來以嵌入和聽從大腦指令的方式替代這個人群的軀體部分缺失或損毀的人工裝置。

基本介紹

• 中文名：智慧型假肢
• 別名：神經義肢
• 組成：生物電子裝置
• 適用人群：筋肉骨骼損毀或喪失者

技術原理

即便筋肉骨骼損毀或喪失，曾經控制著它們的大腦區域及神經也會繼續存活。對許多傷殘者而言，與斷肢對應的腦區和神經都在靜候聯絡，如同話機被扯掉的電話線。醫生們已開始利用神乎其技的外科手術，為患者把這些人體構造與照相機、話筒、馬達之類的裝置連線起來。於是，盲人能視，聾人能聽，而阿曼達能雙手操持家務了。他們使用的這些機器被稱作神經義肢，或者——科學家們越來越喜歡用這個大眾流行的詞語——生物電子裝置。這是一項細緻入微的工作，需要經歷一系列試驗並且失誤百出。雖說科學家們了解把機器與思想相連的可能性，但保持這種連線非常困難。

智慧型假肢應該具有如下特性

(1) 能自動調節，使得假肢與原來的肢體功能更接近；

(2) 具備較好的仿真造型，美觀耐用。

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比較能派上用場的，還要數阿曼達· 基茨自願試用的那種義肢——實施操控的是大腦，而不是正常情況下與伸手動作無關的身體部分。有種名為“靶向肌肉神經支配重構”的技術，利用截肢後殘存的神經來控制人工肢體，於2002年首次在一位患者身上試用。四年後，阿曼達出了車禍在醫院裡臥床時，她丈夫湯米· 基茨從網上讀到了相關報導。事故發生時，一輛卡車撞爛了她的車，也擠碎了她肘部以下的左臂。

在美國田納西州諾斯維爾市附近的“少兒屋學習中心”，阿曼達· 基茨一走進教室就被四五歲的小孩們圍住了。“哎，我的寶貝兒們今天怎么樣呀？”她說著，拍拍這個的肩膀，撫撫那個的頭髮。阿曼達是位苗條而有活力的女性，經營這家以及另外兩家託兒所已差不多有20年了。她蹲下身跟一個小女孩說話，把雙手擱在膝蓋上。

“機器胳膊！”幾個孩子叫道。

“你們還記得這個哈。”阿曼達一邊說，一邊把左臂伸出來。她翻開手掌向上，伴著一陣輕微的嗡嗡聲，不留心是聽不出來的。她把肘部屈起，又是一陣嗡嗡聲。

“讓它乾點兒傻傻的事吧！”一個女孩說。“傻傻的？記得我怎么跟你們握手嗎？”阿曼達說著，伸開手臂，轉動手腕。一個男孩猶疑地伸出手去，碰了碰她的手指。他觸到的是肉色的塑膠，指端微向內屈。表皮下是三個馬達，一具金屬框架，和一套尖端電子系統。這裝備的頂端是一個白色的塑膠罩，接在阿曼達的肱二頭肌中段，套住一截殘肢——她在2006年一場車禍中失去的左臂差不多就只剩下這點兒了。

差不多，但不是僅此而已。她的大腦中，在意識層面之下，還存有那條手臂的完好圖像，如同幽靈。當阿曼達想著彎曲肘部的時候，這條幽靈手臂就動了。神經衝動從她的大腦中急速傳出，被白塑膠罩中的電極感測器接收並轉換成讓馬達發動的信號，於是機器臂的肘部屈起來了。

“其實我不用想著它。我就直接讓它動。”40歲的阿曼達說。她使用的義肢除了這個標準型的之外，還有一個更具實驗性、可控性更強的。“出車禍之後我失魂落魄，不明白上帝為什麼對我這么狠。可這些天我總是興高采烈的，因為他們在不斷改良這隻手臂。總有一天我能用它來感知東西，或是在孩子們唱歌我擊掌的時候找準拍子。”

“那時我惱怒、傷心，了無生趣。我就是接受不了。”她說。但湯米跟她說了芝加哥有人裝新型義肢的事，帶來一線希望。“當時看來這是我們的最佳選擇了，比粗笨的普通假臂強得多。”湯米說，“阿曼達聽說後竟也興奮起來。”很快他們就坐上了去往芝加哥的飛機。

阿曼達· 基茨是“明日人類”中的一員。這個人群的軀體部分缺失或損毀，以嵌入神經系統、聽從大腦指令的裝置來替代。舉例來說，如果阿曼達斷臂上的塑膠罩移了位，哪怕只是一點點，也有可能令她合不攏手指。儘管如此，生物電子裝置仍代表著科技的一大飛躍，研究人員如今能讓殘疾者找回的身體機能，是他們過去想都不敢想的。

“這項工作的核心即在於此：修復。”美國神經疾病與中風研究所的神經工程主任約瑟夫· 潘克拉齊奧說，“一個有脊柱損傷的患者能去餐廳吃飯，不用人喂，而旁人也看不出異樣，這就是我對成功的定義。”

在芝加哥康復中心(RIC)的羅伯特· 利普舒爾茨的辦公室里，人類嘗試修復軀體的歷史以人造假手、假腿和假腳的形式展現在一座座架子上。“假臂的基本技術在過去100年裡都沒怎么變，”他說，“材料不一樣了，我們無非是用塑膠取代了皮革，但基本構造不變：一堆鉤子和鉸鏈，用繩纜或馬達來驅動，用槓桿來控制。好多缺胳膊少腿從伊拉克回來的人都領到了這樣的傢伙。喏，戴上試試。”

原來是一隻左肩臂的義肢。肩膀那部分就是一塊胸甲，用縛帶固定在胸前；手臂在肩部和肘部以鉸鏈連線，末端是一把金屬鉗。要伸出手臂，就得向左扭過頭來，用下巴壓住一根操縱桿，再加上一點拋擲動作把手甩出去。還真是說多彆扭就有多彆扭。而且死沉。20分鐘之後，脖子就因為古怪的姿勢和費力的壓桿動作而疼痛起來。很多截肢者最後都對這種假臂敬而遠之。

托德· 庫伊肯是芝加哥康復中心的一名內科醫生兼生物醫學工程師，負責生物電子假臂的開發。他知道，截肢者殘臂內的神經仍能傳遞來自大腦的信號。他也知道，義肢內的電腦可以指揮電動機發出動作。問題在於怎樣建立聯繫。神經傳導電信號，卻不能直接連在計算機的數據線上。(神經纖維與金屬導線工作起來不搭調，而且導線接入身體處的開放傷口會成為感染入侵的高危通道。)

智慧型假肢足踝

庫伊肯需要找一种放大器來增強神經帶來的信號，這樣便不必直接求之於神經。他在肌肉中找到了。肌肉收縮時會釋放出一股電脈衝，足以被貼在皮膚上的電極感應到。他開發出一種技術，把被切斷的神經從原來的肢體損毀處移走，轉接到有適當的信號放大功效的其他肌肉。2006年10月，庫伊肯開始為阿曼達接駁。第一步是把早先分布在整條手臂中的主要神經保住。“這些神經原本就負責胳膊和手的運作，但如今我得另外找出四個肌肉區域，把它們轉接過去。”庫伊肯說。這些神經發端於阿曼達的大腦運動皮質(這裡存有肢體的大略圖像)，在殘臂的末端戛然而止，正如被切斷的電話線。通過繁複的手術，它們被一名外科醫生重新接入上臂肌肉的不同區域，並在之後幾個月中一毫米一毫米地生長，在各自的“新家”中紮根。

智慧型假肢

“三個月後我開始感到輕微的刺癢和抽搐，”阿曼達說，“四個月後，我觸碰上臂的時候竟真能感覺到手的不同部位。我在不同的位置摸摸，感覺對應著一根根手指。”她感受到的其實是嵌在大腦中的那條“幽靈手臂”，它如今又連上了血肉。阿曼達心裡想著挪動“幽靈手指”時，上臂的真實肌肉就會收縮。

又過了一個月，她裝上了自己的第一隻生物電子手臂，電極藏在斷臂外圍的塑膠罩中，捕捉肌肉的信號。此時的挑戰在於如何把這些信號轉化為活動肘部和手掌的指令。從阿曼達那一小段上臂中湧出了龐雜的電子“噪音”，其中夾雜著“伸直肘部”或“轉動手腕”這樣的信號。安裝在假臂內的微處理器必須經過周密編程，才能揀出正確的信號，傳送給相應的馬達。

因為有阿曼達的“幽靈手臂”，篩選這些信號才成為可能。在康復中心的一間實驗室中，工程師布萊爾· 洛克負責完成編程的細小調整。他讓阿曼達卸下假臂，在她的殘臂上貼滿電極。她站在一台大平板電視前，螢幕顯示著一隻浮在藍色背景上的手臂——這就是“幽靈手臂”的映像。電極接收阿曼達的大腦發給殘臂的指令，螢幕上的手臂就會動。

洛克壓低嗓音——以免妨礙阿曼達集中精神——讓她把手翻過來，掌心向內。在螢幕上，手掌翻動，掌心向內。“現在伸直手腕，掌心向上。”他說。螢幕上的手又動了。“是不是比上次好？”她問。“對呀，信號很強。”阿曼達笑了。接下來洛克讓她把拇指與其餘四指併攏。螢幕上的手照做了。阿曼達睜大了眼睛：“哎呀，我之前都不知道自己能這樣做！”一旦與某個特定動作對應的肌肉信號被識別出來，就可以設定假臂的電腦程式，使之搜尋這種信號，並在尋獲時激活相應馬達。

阿曼達練習使用假臂的地方就在庫伊肯的辦公室樓下，是一間由作業治療師安設的公寓，裡面有初獲假肢的殘疾人日常可能用到的各種器具。帶爐灶的廚房，放金屬餐具的抽屜，睡床，配衣架的櫥櫃，洗手間，樓梯——都是人們每天不經意使用著的器物，但對失去某段肢體的人來說卻產生了巨大的阻力。阿曼達做花生醬三明治的動作能看得人目瞪口呆。她把袖子捲起來，露著假臂的塑膠罩，動作十分流暢：用那隻完好的手臂托起一片麵包，用假臂的手指抓起刀子，手肘彎曲，一來一去地抹著花生醬。

“剛開始的時候也不容易，”她說，“我努力活動，手卻常常走不對地方。”但她下功夫練習，假臂用得越多，動作就變得越自然。阿曼達現在最想要的是假臂的知覺。它會對許多活動大有幫助，包括她最喜歡做的一件事——喝咖啡。“紙杯的毛病在於，我的假手抓東西時會一直收攏，直到握緊才停下來，而拿著紙杯不可能握緊。”她說，“有一回在星巴克就出了洋相，用假手去抓紙杯，‘撲’的一下捏爆了。”

庫伊肯說，她大有希望得到這種知覺，還是要靠她的“幽靈手臂”。芝加哥康復中心與約翰· 霍普金斯大學套用物理學實驗室的生物工程師合作，一直在為阿曼達這樣的患者開發一種新型義肢，它不僅更靈活——擁有更多馬達和關節——指端還有壓力感應墊。一些類似活塞桿的細棒與感應墊相連線，抵住阿曼達的殘肢。

手上受力越大，“幽靈手指”的感覺就越強烈。“這樣我就能察覺手握得有多緊了。”她說。通過細棒振動的速度，她還能區分手指摸過的物體是粗糙(比如砂紙)還是光滑(比如玻璃)。“我去芝加哥試用了一下，非常喜歡。”她說，“我都希望他們現在就讓我拿回家去。可是它比我在家用的假肢複雜得多，他們還不能放心地交給我。”埃里克· 施倫普與阿曼達不同，他不需要假肢，只需要讓自己天生的手臂復工——自從施倫普在1992年摔斷脖子變成四肢癱瘓，它們就沒自己動彈過。然而，如今這名40歲的俄亥俄男子能捏起刀叉了。

他能這么做，要歸功於凱斯西儲大學的生物醫學工程師亨特· 佩卡姆開發的一種植入裝置。“我們的目標是恢復手的抓握能力。”佩卡姆說，“動手是獨立生活的關鍵。”

施倫普的手指肌肉和控制它們的神經依然存在，但從大腦傳來的信號到頸部就被截斷了。佩卡姆帶領其他工作人員從施倫普的胸部插入八根微細的電極，在右臂的皮下一路走到手指肌肉。他胸前的肌肉收縮時，會引發一個信號，經由無線發射器傳給掛在他輪椅上的小型電腦，後者將信號解讀後傳回植入他胸部的接收器，再由導線順著手臂傳到手上，於是信號命令手指的肌肉收緊、握攏——這一切都在1微秒內完成。“我能抓起叉子自己吃飯了，”施倫普說，“這意義重大。”

大約250個人接受了這種仍處於實驗階段的技術的治療。但另有一種生物電子裝置已表明，大腦與機器的結合可以是強大而經得起時間考驗的，過去30年中全球已有近20萬人裝上了它。這就是耳蝸植入裝置。艾登· 肯尼是接受植入的患者之一。他母親塔米· 肯尼還記得得知自己的寶寶連助聽器都用不了時的情景。“我就只是把他抱在懷裡哭，”她說，“我知道他聽不見我的聲音。他以後怎么跟我溝通呢？有一回，我丈夫拿兩隻鐵鍋互相擊打，希望他有點兒反應。”艾登全然沒聽見那噪音。

他就聽得見了。2009年2月，約翰· 霍普金斯大學的外科醫生在他每個耳蝸內曲折地放入了帶有22個電極的細線(耳蝸是正常情況下負責感應聲波振動的內耳構造)。艾登身上的話筒接收聲音，把信號傳送給電極，而後者直接把信號轉入神經。

“手術後一個月，醫生啟動植入裝置的那天，我們發現他對聲音有反應了。”塔米·肯尼說，“他會對我的話音轉過頭來，太神奇了。”2009年他正在配合治療學說話，迅速趕上聽力健全的同齡人。

繼耳蝸裝置之後，生物電子眼也許會很快問世。幾年前，視網膜色素變性奪去了喬· 安· 路易斯的視力，這種疾病會毀壞眼內負責感光的桿細胞和錐細胞。然而她恢復了部分視力，是得益於眼科專家馬克· 胡馬雲的研究。

患有這種眼疾的病人，通常會有部分內層視網膜未受損傷，喬· 安· 路易斯就是如此。這一層視網膜構造中布滿了雙極細胞和神經節細胞，正常情況下它會收集來自外層的桿細胞和錐細胞的信號，再轉給從視覺神經發散出來的纖維。早先沒人知道內層視網膜使用的是什麼樣的信號，或者如何對之輸送它能夠解讀的圖像。1992年，胡馬雲開始在手術中為此類患者的視網膜裝上微小的電極陣列，這樣試驗了一小段時間。

“我叫他們用眼睛追蹤一個點，他們做到了。”他說，“他們能看見排成行列和柱狀的東西了。”又經過十年的試驗，胡馬雲和同事們開發出一套系統，命名為“阿耳戈斯”(希臘神話中的巨人，長著上百隻眼睛)。患者佩戴一副墨鏡，上面裝有一架微型攝像機和無線發射器。影像信號被傳送給腰帶上的電腦，轉成神經節細胞能讀懂的電脈衝，再傳送給置於耳後的接收器。從那裡引出一根導線接入眼內，通向輕輕附著在視網膜表面的方形16電極陣列。脈衝激發電極，電極激發細胞，然後大腦完成剩下的工作，讓第一批接受治療的患者看到了物體的邊緣和粗略輪廓。

2006年秋，胡馬雲和他所供職的“第二視界”公司聯合一支國際團隊，把陣列中的電極增加到60個。和像素更多的相機一樣，新陣列能產生更清晰的圖像。來自德克薩斯的路易斯是最早獲得新陣列的患者之一。“現在我又能看出樹的輪廓了，”她說，“印象中那是我失明前看到的最後一樣東西。現在我看得到向四面八方伸出的枝幹。”

研究者又使神經義肢的概念更進一步，開始用它來輔助大腦本身。參與一項“大腦之門”計畫的科學家正試圖把完全喪失行動能力的患者的大腦運動皮質直接與電腦相連，使他們能夠用意念來操控外界物體。已有受試者能這樣移動電腦螢幕上的游標。研究者甚至計畫開發一種人工海馬，替代人腦中儲存記憶的海馬結構，用來為失憶患者移植。

不是每件事都會進展得那么順利。在首批接受“大腦之門”治療的四名患者中，有一人後來決定取下電腦接頭，因為它干擾其他的醫療設施，而喬· 安· 路易斯說她的視力還沒恢復到能安全過馬路的地步。然而阿曼達的斷臂裝上了更有彈性的新型塑膠罩，控制手臂的神經與電極得到了更好的調諧。

“這意味著我能用假臂做的事大大增加了。”她說，“芝加哥那邊又出了一款新的，可以讓我做出好多不同的抓握動作，我想拿來用。我希望能用假手跟我園裡的孩子們一起撿拾硬幣、小錘和玩具。”庫伊肯說，這都不是什麼奢望。“我們把輔助生活的工具帶給患者，比他們之前用的要好一些，但仍嫌粗劣，跟精巧的人體構造沒法比。它們在大自然面前，就像舉在太陽下的蠟燭一樣微不足道”。

（Smart prosthetics；Intelligent artificial limb ）。

埃里克· 施倫普自1992年在一次跳水中摔斷脖子後始終四肢癱瘓，能靠植入皮下的一部電子裝置來挪動手指，握住餐叉了。喬· 安· 路易斯是一位女盲人，卻能在一架與視覺神經溝通的微型相機的幫助下，看到樹木的輪廓。還有一歲半的艾登· 肯尼，能聽媽媽說話並應答，因為這個生來失聰的男孩耳朵里有22個電極，它們把話筒採集到的聲音轉化成了聽覺神經可以讀懂的信號。

中國

2013年10月11日，一款智慧型動力假肢亮相中國國際福祉博覽會。這款由北京市殘聯和北京大學聯合研發的殘疾人輔助器具，內裝有電機晶片，相較於普通的假肢，它可推動殘疾人走路讓其更省力，並可自由轉動，方便殘疾人上下樓梯，讓殘疾人走路更穩定自然。由於沒有量產，目前尚未定價。當天，2013中國國際福祉博覽會在國展舉辦，來自16個國家和地區的270餘家企業參展，共展出8800餘種輔助器具，展會將持續至12日結束。

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