犹他大学研发高科技假肢:意识控制有触觉,轻松摘葡萄

王新凯 DeepTech深科技 2019-07-26


装好高科技假肢后,Keven Walgamott 想做的第一件事,是自己动手带上结婚戒指,在此之前,他自己一只手很难做到。

Keven Walgamott 家住美国犹他州西谷市。17 年前,他在一次电气事故中失去了左手和部分手臂。从此,一些正常人轻松完成的事情,对 Keven Walgamott 来说可能就是一项艰巨的任务。

2017 年,Walgamott 参加了一项犹他大学(University of Utah)生物医学工程团队进行的高科技假肢原型测试,包括他在内,共有 7 名受试者。这款高科技假肢的手指不仅可以跟随大脑意识灵活移动,更重要的是,它还能够在触摸物体时产生灵敏的触觉。

“这几乎让我流泪,这真的很神奇。我从来没有想过我能再次感受到那只手。”Walgamott 谈到第一次在临床测试中使用这款机械手臂时说。

而据犹他大学生物医学工程副教授 Gregory Clark 介绍,“感人的是,他(Walgamott)想做的第一件事,是为自己带上结婚戒指,毕竟在此之前自己一只手很难做到。”

研究人员还为这款高科技假肢取了一个很有情怀的名字——卢克臂(LUKE Arm),“卢克”一词取自《星球大战-帝国反击战》中的卢克·天行者(Luke Skywalker)。

图 | Gregory Clark 和卢克臂(来源:University of Utah)

有关卢克臂的详细内容和测试数据,于 2019 年 7 月 25 日发表在最新一期的《科学机器人》(Science Robotics)杂志上。


有感觉的假肢


卢克臂硬件主体由金属发动机和透明硅“皮肤”组成,通过外部电池供电,并与电脑相连。它是由总部位于新罕布什尔州的Deka Research and Development 公司历时 15 年开发。

卢克臂的信号系统由 Gregory Clark 所领导的犹他大学研究小组开发,该系统允许假肢手臂接入佩戴者的神经系统,实现大脑向机械手臂发送动作信号。

在该系统中,主要使用了犹他大学生物医学工程荣誉杰出教授 Richard A. Normann 的一项重要发明——犹他斜电极阵列(Utah Slanted Electrode Array)阵列是由 100 个微电极和导线组成,它们被植入截肢者前臂的神经,并与身体外部的电脑相连。阵列解析来自手臂中的神经信号,通过计算机将它们转换成数字信号,然后指挥机械手臂的移动。

在这项最新成果中,除了实现大脑信号对机械手臂的控制,反过来还要实现大脑对机械手臂的触觉感知,因为要完成像捡东西这样的简单任务,需要的不仅仅是大脑告诉手臂如何移动,机械手臂还要学会“感受”物体,以便让大脑知道施加多大的力。

视频 | 卢克臂(来源:University of Utah)

为了实现这一点,研究人员在机械手臂上安装了能够通过阵列向神经发送信号的传感器,以模仿手抓东西时的感觉。这其中的关键是,如何向手臂神经发送这些数字信号,尤其是涉及到当刚刚接触这些物品时,大脑如何处理转化接受到的信息。

在正常人的触摸过程中,当刚刚接触物体的那一刻,会有一股神经脉冲信号沿着神经传入大脑,然后逐渐减弱,而机械手臂就是要模拟这一过程。

“仅仅提供感觉是一件大事,但你传递信息的方式也至关重要,如果你让它在生物学上更真实,大脑就会更好地理解它,这种感觉的表现也会更好。”Clark说。

为此,研究团队通过一系列复杂的数学计算和灵长类动物手臂上的神经脉冲信号记录,创建了一个近似模型,以模拟人类如何接受和处理这些不同的信号模式。最终将该模型实现到卢克臂中。


完全的自由


卢克臂可以模仿人类手指触摸和感受物体的方式,向大脑发送触觉信号。这样就意味着,与传统假肢中使用没有触觉感受的金属钩子或抓手不同,佩戴卢克臂的患者可以像正常人一样对软的或硬的物体产生触觉,从而能够执行一些精细的任务,比如拿起一颗鸡蛋或摘下一颗葡萄,而不至于用力过度捏碎物品;再比如与自己的爱人浪漫地十指相扣,而不至于夹疼对方。


图 | Keven Walgamott 正在通过机械手臂摘葡萄(来源:University of Utah)

“我们改变了(机械臂)向大脑发送信息的方式,使其与人体匹配。通过与人体匹配,我们能够看到改进的成就,我们正在创造更符合生物学原理的真实信号。”研究论文第一作者、犹他大学生物医学工程博士 Jacob George 表示。

除了创建具有触觉的卢克臂原型,研究团队还开发了一个完全便携的版本,不需要连接到身体外部的计算机。通过无线连接,给予佩戴者完全的自由。

而且据 Clark 介绍,虽然在研究论文中主要针对的是触觉成果描述,但实际上,犹他斜电极阵列不仅仅能够向大脑发送触觉信号,还可以实现疼痛和温度信号的传入。而且虽然该研究目前只涉及失去肘部以下的截肢者,但卢克臂实际上也可以应用于失去肘部以上手臂的截肢者。

研究人员还表示,他们希望在 2020 年或 2021 年,其中的三个测试对象能够把卢克臂带回家使用,不过这一步还需要监管部门的批准。

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参考:
https://unews.utah.edu/star-wars-inspired-arm/
https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax2352


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