机械手臂让瘫痪病人重获触觉

2016年10月17日 15:16  

像Nathan Copeland这样有某种形式残疾的人在全球范围内超过10亿,大约占世界人口的15%。大多数病患都会选择为自己安上义肢,然而对于脊椎受损的病患来说,由于大脑与四肢的连接已经被中断,义肢的作用对于他们来说微乎其微—— 他们无法自主控制肢体的运动,更无法通过这些缺乏触觉反馈的人工假肢来感受周围的世界。

既然身体的控制中心在大脑,那么,能否直接“ 越过” 脊椎系统,只依靠大脑来控制人工肢体?

近日,美国匹兹堡大学与匹兹堡大学医疗中心合作,研发了一款能够 直接通过大脑活动控制的机械手臂。这款机械手臂 不仅可以做出相应的动作,而且设备上装载的传感器还使得机械手臂第一次具备了可传递触觉反馈的双向交流功能 。

要操控这个机械手臂,患者首先要在大脑相应的感应皮层中植入一些微型电极,用于接收从机械手臂上发出的触觉信号。这些电极的体积非常小,直径甚至比不上一粒细沙。在实验室中,当实验人员在机械手臂上按压时,Copeland几乎能够马上感觉到右手臂上施加的压力,而整个过程都是直接越过脊椎的参与实现的。

在十几年前,当Copeland还是青少年的时候,他在一个雨天发生了意外车祸,之后便被诊断为四肢瘫痪,除了肩膀还有少部分的活动能力外,其他地方已经不能动弹。Copeland 决定参与这个实验项目是五年前的事情。当时,一个由外科手术医生、生物治疗工程师和复健医疗师组成的队伍希望能够研发出一款帮助瘫痪病人重获触觉的技术。不过比起用大脑控制机械手臂运动,让身体重新接收到触觉反馈才是团队面临的最大难题。

在过去的几个月,30岁的Copeland 一直与实验团队合作,不断对机械手臂进行试验。去年春天,医生通过寻找感知右手的大脑皮层区域,在 Copeland 大脑左半球植入了四个微型电极。在此之前,Copeland 的已经在脑部植入了用于控制机械手臂运动的芯片。在电极植入完成后,实验人员蒙上了 Copeland 的眼睛,看 Copeland 能否通过机械手臂接收到相应的触觉反馈。结果是,Copeland 能够准确判断出实验人员碰的是哪一根手指,甚至还能说出具体的位置。

“ 我几乎可以感受到任何一个地方,”Copeland 说道,“ 在绝大多数情况下,我不仅能够判断出位置,还能感受到用力的方向和大小 。”

“Nathan 十分高兴。因为他已经有十年时间没有通过触觉在手臂上感受力量了。” 生物医疗工程师 Robert Gaunt 说道。

实验在本周四暂停了一阵,因为奥巴马在出席白宫前沿问题讨论会期间参观了团队的实验成果。团队向奥巴马介绍,这是一款“ 能够把脑海中的动作直接转换成现实的设备。”

“ 这项技术是在是太棒了,” 奥巴马称赞道,并且通过机械手臂和 Copeland 握了手,“ 我为你们所有人感到骄傲。”

Copeland 是世界上首个能够成功通过机械手臂重获触觉的瘫痪病人,这也是目前假肢设计技术的“ 终极目标”。在此之前,通过神经元电流触发能够让瘫痪病人直接通过大脑控制自己的肢体,但是却无法实现反向的触觉反馈。因为得不到相应的反馈,病人在控制这些机械手臂时则显得非常“ 笨拙”。

因此,匹兹堡大学本次研究的技术将会使得机械手臂的设计更进一步。Copeland 现在不仅可以控制自己的手臂,做出握手、击拳和移动物体的动作,而且还可以在做出动作的同时得到相应的触觉反馈。团队下一步就是希望把这两者结合起来,这样 Copeland 就可以自主抓取任何物体,而且还能通过触觉相应调整自己的动作,避免出现用力过大或者物体滑落等现象。

除了像 Copeland 这样不幸失去四肢的患者,对于因为脊椎受损而瘫痪的病人来说,这项技术同样有很大的应用潜力。Jan Scheurmann 是团队的另一名实验者。这位36岁的母亲因为脊髓小脑变形而丧失了利用大脑控制肌肉运动的能力。利用这项技术,Scheurmann 在 2012 年成功再次用自己的手吃上了一块巧克力。

这项“ 绕过” 脊椎,让能够直接控制肌肉的技术目前已经取得了非常大的进展,不过团队也解释道,目前还有许多仍待完善的地方,比如还有一些动作不能执行,机械手臂目前也缺乏能够感知冷热温度的能力。触觉作为人类感知和认识世界最重要的感官之一,相关前沿技术的发展正在让意外失去这一感官的人们有机会重获这一“ 本能”。(粹客)

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