仿生手臂直接解码大脑信号，一年后迎来假肢革命？

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曾经Jodie O’Connell-Ponkos使用过5年的假肢手臂，直到有一天，她沮丧地把它扔了。她说，“恨都只能算是轻描淡写了”，这些设备简直不好用。1985年，16岁的JodieO’Connell-Ponkos被工业绞肉机夺去了右臂。到现在，她已经有20年都没用过新的假肢了。

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在上肢截肢者中，O’Connell-Ponkos的经历非常常见。尽管假肢在工程和可用性方面取得了很大进步，仍有高达75%的使用者放弃使用电动假肢（截至2007年），在20多年的发展过程中，这个比例并没有显著改变。

尽管有了更好的材料、更强大的电机，附加了更多的关节，但是上肢假肢使用的仍然是20世纪50年代开发的控制系统。这套控制系统还包括笨重的电缆和背带组成的身体动力供电系统和肌电系统。肌电系统使用安放在截肢部位皮肤中的电子传感器检测肌肉活动，之后把这些活动信息发送给电机，从而使电机运转。例如，要使二头肌收缩，需要人工肘关节先弯曲，但这不符合人类的直觉，往往在大量训练之后，患者才能熟练使用假肢。

图片来源: Matthew Stout/Sikich

去年，O’Connell-Ponkos 尝试了一款Coapt公司生产的新的装备，它包括了一套可以识别细微神经信号的新型控制系统。与当时的假肢不同，新的手臂能让她更加优雅而自然地活动。如今，这位活泼外向的驯马师时刻穿戴着她的假肢，帮助她完成从劈柴到梳马尾辫的各种事情。

2016年，在波士顿举行的美国矫正和修复协会（American Orthotic and ProstheticAssociation）大会上，Coapt只在展览大厅后面有一个非常小的摊位。在那里，O’Connell-Ponkos（已被聘请为Coapt公司代言人）正在推销他们的技术，她说，这项技术已经可以与五大知名假肢制造商的产品兼容了。

Coapt公司的联合创始人兼CEO Blair Lock说，在2013年底他们就进入市场了，目前估计有200人正在使用这套系统。这套系统被包裹在一个黑色的小盒子中，由一块电路板和一套算法组成，算法使用模式识别技术，能解码从手臂肌肉中传递来的电信号。现在，它已经成为连接用户意图和假体动作之间的桥梁。

下一代的Coapt设备（橙色的模型）将会比第一代的产品（黑色的）明显地更小、更薄

图片来源：Megan Scudellari

Lock说，如果单独检测神经活动，它会显得非常“安静”，不过，因为其中包含了大量信息，又会像“交响乐”一样，需要仔细分辨。而肌肉就像扬声器一样，可以放大神经的活动。传统的肌电系统只能检测到音乐的音量，但模式识别软件可以把一个特定的大脑信号（就像一首独特的歌）和一个动作联系起来。

这家公司计划在近期发布一款体积更小的新产品。不仅如此，他们从普渡大学得到了一项新技术的授权，可以直接从皮肤下读取电信号（使用植入式电极）。不过，Lock对于这项技术的发展计划守口如瓶，他想等到时机合适再向大家公布。

在改变上肢假肢控制方式的道路上，Coapt并不孤单，还有两家领先的假肢制造公司也在努力提升假肢的控制系统。约翰斯霍普金斯模块化假肢上肢（MPL）也可以使用模式识别软件操作，而德克研究公司（DEKA Research）以《星球大战》中卢克·天行者的命名的假肢（LUKE Arm）采用的就是Coapt系统。无论是MPL 还是LUKE Arm都是由DARPA资助的。这两个产品都还没有上市销售，不过，LUKE Arm计划于今年年底推出。

约翰斯霍普金斯的MPL模式识别系统是内部开发的，MPL的创造者——约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室的研究与开发部总工程师 Mike McLaughlin说，“我们的想法是把意识直接转化成动作。”

LUKE Arm可以通过包括Coapt系统在内的多种方式控制，德克研究公司（DEKA Research）LUKE Arm开发团队的一员Tom Doyon说。LUKE Arm还有一个特点，可以使用无线脚部控制，这就像使用操纵杆一样使手臂按预定模式移动。

然而，虽然上述假肢已经很方便了，但使用起来还是无法像真手一样自如。即使是最好的控制系统也只是执行一系列预先设定的动作，不能随心所欲地控制。拿Coapt系统来说，使用者可以预先设定约六至八个动作，如日常使用的伸出手指、捏合或者攥拳等。

现在，限制假肢发展的因素不是手臂的设计和制造技术（以MPL为例，它由26个关节和上百个传感器组成），而是破译大脑信号的带宽。“在移动手臂的时候，可能有5亿个神经元参与，但是现在我们最多只能观测到几百个神经元，”McLaughlin说，“这些东西都存在于我们的大脑中，但是我们观测它们的能力却是有限的。”

未来的假肢控制技术希望通过在皮肤下甚至大脑中植入电极的方式来直接探测大脑的“交响乐”。最近，约翰斯霍普金斯MPL团队与匹兹堡大学研究人员合作对两例重度脊髓损伤病人实施了脑电极植入手术。理想上，希望该技术有一天会成为无创手术，McLaughlin说，“但我们还没有达到这样的效果。请再给我们一年左右的时间。”

撰文 | Megan Scudellari

翻译 | 宇辉

审校 | 杨玉洁

原文链接：

http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/bionics/thoughtcontrol-systems-advance-bionic-arms