血肉相连的机器：揭秘世界顶尖智能假肢(图)

http://www.sina.com.cn  2010年01月19日 09:49  华夏地理重获新肢：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。”

　　关键词释义：生物电子学，研究以机械系统行使活的生命体或生命体部分器官之功能的学科。

　　撰文：乔希·菲施曼 JOSH FISCHMAN

　　摄影：马克·蒂森 MARK THIESSEN

　　翻译：王晓波

　　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，我们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，“因为我们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，带来一线希望。“当时看来这是我们的最佳选择了，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，她大有希望得到这种知觉，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，“我都希望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。“我们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。”

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