可以識(shí)別細(xì)微神經(jīng)信號(hào)的新型控制系統(tǒng)，能讓假肢使用者更加優(yōu)雅而自然地活動(dòng)。
1985年，16歲的JodieO’Connell-Ponkos被工業(yè)絞肉機(jī)奪去了右臂。她曾使用過(guò)5年的假肢手臂，直到有一天，她沮喪地把它扔了。她說(shuō)，“恨都只能算是輕描淡寫(xiě)了”，這些設(shè)備實(shí)在太不好用。到現(xiàn)在，她已經(jīng)有20年都沒(méi)用過(guò)新的假肢了。
在上肢截肢者中，O’Connell-Ponkos的經(jīng)歷非常常見(jiàn)。盡管假肢在工程和可用性方面取得了很大進(jìn)步，仍有高達(dá)75%的使用者放棄使用電動(dòng)假肢（截至2007年），在20多年的發(fā)展過(guò)程中，這個(gè)比例并沒(méi)有顯著改變。
盡管有了更好的材料、更強(qiáng)大的電機(jī)，附加了更多的關(guān)節(jié)，但是上肢假肢使用的仍然是20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)。這套控制系統(tǒng)還包括笨重的電纜和背帶組成的身體動(dòng)力供電系統(tǒng)和肌電系統(tǒng)。肌電系統(tǒng)使用安放在截肢部位皮膚中的電子傳感器檢測(cè)肌肉活動(dòng)，之后把這些活動(dòng)信息發(fā)送給電機(jī)，從而使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，要使二頭肌收縮，需要人工肘關(guān)節(jié)先彎曲，但這不符合人類(lèi)的直覺(jué)，往往在大量訓(xùn)練之后，患者才能熟練使用假肢。
【圖注】圖片來(lái)源： Matthew Stout/Sikich
去年，O’Connell-Ponkos 嘗試了一款Coapt公司生產(chǎn)的新的裝備，它包括了一套可以識(shí)別細(xì)微神經(jīng)信號(hào)的新型控制系統(tǒng)。與當(dāng)時(shí)的假肢不同，新的手臂能讓她更加優(yōu)雅而自然地活動(dòng)。如今，這位活潑外向的馴馬師時(shí)刻穿戴著她的假肢，幫助她完成從劈柴到梳馬尾辮的各種事情。
2016年，在波士頓舉行的美國(guó)矯正和修復(fù)協(xié)會(huì)（American Orthotic and ProstheticAssociation）大會(huì)上，Coapt只在展覽大廳后面有一個(gè)非常小的攤位。在那里，O’Connell-Ponkos（已被聘請(qǐng)為Coapt公司代言人）正在推銷(xiāo)他們的技術(shù)，她說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)可以與五大知名假肢制造商的產(chǎn)品兼容了。
Coapt公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Blair Lock說(shuō)，在2013年底他們就進(jìn)入市場(chǎng)了，目前估計(jì)有200人正在使用這套系統(tǒng)。這套系統(tǒng)被包裹在一個(gè)黑色的小盒子中，由一塊電路板和一套算法組成，算法使用模式識(shí)別技術(shù)，能解碼從手臂肌肉中傳遞來(lái)的電信號(hào)?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成為連接用戶(hù)意圖和假體動(dòng)作之間的橋梁。
Lock說(shuō)，如果單獨(dú)檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)，它會(huì)顯得非常“安靜”，不過(guò)，因?yàn)槠渲邪舜罅啃畔?，又?huì)像“交響樂(lè)”一樣，需要仔細(xì)分辨。而肌肉就像揚(yáng)聲器一樣，可以放大神經(jīng)的活動(dòng)。傳統(tǒng)的肌電系統(tǒng)只能檢測(cè)到音樂(lè)的音量，但模式識(shí)別軟件可以把一個(gè)特定的大腦信號(hào)（就像一首獨(dú)特的歌）和一個(gè)動(dòng)作聯(lián)系起來(lái)。
這家公司計(jì)劃在近期發(fā)布一款體積更小的新產(chǎn)品。不僅如此，他們從普渡大學(xué)得到了一項(xiàng)新技術(shù)的授權(quán)，可以直接從皮膚下讀取電信號(hào)（使用植入式電極）。不過(guò)，Lock對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展計(jì)劃守口如瓶，他想等到時(shí)機(jī)合適再向大家公布。
在改變上肢假肢控制方式的道路上，Coapt并不孤單，還有兩家領(lǐng)先的假肢制造公司也在努力提升假肢的控制系統(tǒng)。約翰斯霍普金斯模塊化假肢上肢（MPL）也可以使用模式識(shí)別軟件操作，而德克研究公司（DEKA Research）以《星球大戰(zhàn)》中盧克·天行者的命名的假肢（LUKE Arm）采用的就是Coapt系統(tǒng)。無(wú)論是MPL 還是LUKE Arm都是由DARPA資助的。這兩個(gè)產(chǎn)品都還沒(méi)有上市銷(xiāo)售，不過(guò)，LUKE Arm計(jì)劃于今年年底推出。
約翰斯霍普金斯的MPL模式識(shí)別系統(tǒng)是內(nèi)部開(kāi)發(fā)的，MPL的創(chuàng)造者——約翰斯霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究與開(kāi)發(fā)部總工程師 Mike McLaughlin說(shuō)，“我們的想法是把意識(shí)直接轉(zhuǎn)化成動(dòng)作。”
LUKE Arm可以通過(guò)包括Coapt系統(tǒng)在內(nèi)的多種方式控制，德克研究公司（DEKA Research）LUKE Arm開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的一員Tom Doyon說(shuō)。LUKE Arm還有一個(gè)特點(diǎn)，可以使用無(wú)線(xiàn)腳部控制，這就像使用操縱桿一樣使手臂按預(yù)定模式移動(dòng)。
然而，雖然上述假肢已經(jīng)很方便了，但使用起來(lái)還是無(wú)法像真手一樣自如。即使是最好的控制系統(tǒng)也只是執(zhí)行一系列預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作，不能隨心所欲地控制。拿Coapt系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用者可以預(yù)先設(shè)定約六至八個(gè)動(dòng)作，如日常使用的伸出手指、捏合或者攥拳等。
現(xiàn)在，限制假肢發(fā)展的因素不是手臂的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)（以MPL為例，它由26個(gè)關(guān)節(jié)和上百個(gè)傳感器組成），而是破譯大腦信號(hào)的帶寬。“在移動(dòng)手臂的時(shí)候，可能有5億個(gè)神經(jīng)元參與，但是現(xiàn)在我們最多只能觀測(cè)到幾百個(gè)神經(jīng)元，”McLaughlin說(shuō)，“這些東西都存在于我們的大腦中，但是我們觀測(cè)它們的能力卻是有限的。”
未來(lái)的假肢控制技術(shù)希望通過(guò)在皮膚下甚至大腦中植入電極的方式來(lái)直接探測(cè)大腦的“交響樂(lè)”。最近，約翰斯霍普金斯MPL團(tuán)隊(duì)與匹茲堡大學(xué)研究人員合作對(duì)兩例重度脊髓損傷病人實(shí)施了腦電極植入手術(shù)。理想上，希望該技術(shù)有一天會(huì)成為無(wú)創(chuàng)手術(shù)，McLaughlin說(shuō)，“但我們還沒(méi)有達(dá)到這樣的效果。請(qǐng)?jiān)俳o我們一年左右的時(shí)間。”
