智能假肢：助截肢人群恢復(fù)觸覺

把腳放平，這個(gè)對于健康人來說看似簡單的動作，對于佩戴固定假肢的截肢患者來說，卻具有很大難度。如今，隨著人機(jī)交互、仿生智能等技術(shù)不斷發(fā)展，智能輔具正為殘障人士的生活帶來巨大改變，呈現(xiàn)出廣闊市場空間。

美國國防高級研究計(jì)劃局為方便戰(zhàn)場負(fù)傷士兵的日常生活，十多年前即著手研發(fā)號稱“盧克之手”的仿生假肢，目前已獲美國食品藥品管理局批準(zhǔn)。英國的i-Limb機(jī)械手也已進(jìn)入商用。那么，人如何用“意念”控制假肢？它們和原生肢體還有多大差距？

傳統(tǒng)假肢吃力費(fèi)勁

已知的最古老假肢出現(xiàn)在3000年前的古埃及。那是一根附著皮革的木雕腳趾，剛好可以用皮革套在腳上。

直到16世紀(jì)才出現(xiàn)功能性的機(jī)械肢體。法國戰(zhàn)地醫(yī)生安布魯瓦茲·帕里發(fā)明了有著靈活手指的假手，利用鉤子和彈簧操作。他還制造了一只機(jī)械膝，使用者可以借其站定在某個(gè)位置。

對于肢體殘缺的患者來說，假肢不僅能填補(bǔ)外形上的空缺，還能在一定程度上恢復(fù)一些活動。假肢技術(shù)在過去幾十年里的最大變化，無非是表面用塑料或硅膠代替了皮革，內(nèi)部的基本構(gòu)造依舊是一堆機(jī)械部件，由彈簧或馬達(dá)驅(qū)動，由操縱桿、液壓或者氣壓裝置控制。這些簡單機(jī)械構(gòu)造的假肢操控起來很復(fù)雜，比如殘障人士要想完成伸出假肢手臂這么一個(gè)簡單的動作，就必須先用下巴壓住操縱桿，再加上一個(gè)類似于拋擲的動作才能把手臂甩出去。

傳統(tǒng)假肢的手掌和手指，不僅抓握物品相當(dāng)費(fèi)勁，力度也不好控制，拿捏不好的話，可以輕易捏爆一個(gè)雞蛋。上下樓梯則更費(fèi)勁了，傳統(tǒng)假肢需要靠肌肉來帶動，并且由于不能彎曲，走有坡度的路時(shí)非常吃力。

此前，科學(xué)家的研發(fā)重心在于假肢的靈活度和佩戴舒適度，屬于單向大腦信號的傳導(dǎo)，少有人關(guān)注假肢本身帶來的觸覺等一系列反饋。也就是說，就算裝上假肢，也要依靠眼睛來判斷物體方位、辨別物體的形狀和軟硬度等。美國密歇根大學(xué)教授丹尼爾·費(fèi)里斯說，多數(shù)假肢“基本上是漂亮的木制腿”。

“意念”控制應(yīng)運(yùn)而生

人是如何操控原生肢體的？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人通過神經(jīng)元控制身體各組織器官，會產(chǎn)生生物電信號，這種信號中載有人的行為信息，能直接反映人的意圖?？茖W(xué)家通過解碼人體生物電信號，試圖識別人的“意念”，進(jìn)而讓機(jī)器按人的想法工作——這方面研究已成為人機(jī)交互研究的熱點(diǎn)之一。目前來說，廣泛關(guān)注的生物電信號包括肌電、腦電以及眼電等。

研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)截肢者都存在一種幻覺，認(rèn)為因截肢而失去的肢體依然存在，這被稱為“幻肢感”。比如，他們可以想象失去的肢體還可以拿取物品，甚至感受到疼痛等。當(dāng)截肢者通過想象，用他們的幻肢做某一動作時(shí)，大腦產(chǎn)生的運(yùn)動神經(jīng)信號使得殘存的肌肉收縮，產(chǎn)生肌電信號。

由于表面肌電信號蘊(yùn)含信息豐富，采集技術(shù)相對成熟，并且是無創(chuàng)采集，因而受到眾多研究者青睞。據(jù)了解，表面肌電信號是一種非平穩(wěn)的微電信號，它一般在肢體運(yùn)動前30毫秒至150毫秒產(chǎn)生。

中科院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員王衛(wèi)群解讀了識別肌電信號控制假肢的原理：通過貼在肌肉表面的電極片感受肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的電信號，進(jìn)而通過電信號強(qiáng)弱與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動量的對應(yīng)關(guān)系來控制假肢連續(xù)運(yùn)動，或者當(dāng)電信號超過一定閾值時(shí)產(chǎn)生關(guān)節(jié)動作。王衛(wèi)群說，通過肌電信號控制智能假肢存在的問題在于肌電信號非常微弱且不穩(wěn)定，如容易受脂肪厚度、出汗、溫度、毛發(fā)等因素影響。

另外，對于殘障人士來說，“意念”控制假肢并不僅僅是安裝即用，還要進(jìn)行較長時(shí)間的訓(xùn)練。王衛(wèi)群說，訓(xùn)練的過程即是建立肌電信號與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的對應(yīng)關(guān)系?！斑@可以通過建立數(shù)學(xué)物理模型等方式來實(shí)現(xiàn)，但是由于肌電信號及模型的復(fù)雜性，需要采集足夠的數(shù)據(jù)樣本來訓(xùn)練模型，才能實(shí)現(xiàn)肌電信號對假肢的在線控制，因此訓(xùn)練時(shí)間較長?！?/p>

靈活性仍難以實(shí)現(xiàn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所教授姜力指出，面向殘疾人應(yīng)用的假肢手需要在人體神經(jīng)信號的控制下工作，因此必須考慮假肢結(jié)構(gòu)與生機(jī)接口的性能匹配和功能集成問題。

目前，由于人體運(yùn)動的神經(jīng)信息編碼不明，現(xiàn)有的大多數(shù)生機(jī)接口只能輸出較少的離散運(yùn)動模式，特別是對于有效肌肉群少且肌電信號弱的肢殘患者來說，難以直接控制具有多主動自由度的靈巧操作結(jié)構(gòu)。同時(shí)，與機(jī)器人靈巧手相比，假肢手的外形、尺寸和重量還有更加苛刻的要求。因此，如何在生機(jī)接口性能約束下以較少的主動自由度再現(xiàn)人手的靈巧運(yùn)動特性，是智能假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要解決的問題。

王衛(wèi)群也表示，目前市場上能看到的智能假肢產(chǎn)品還是以單關(guān)節(jié)為主，與人類肢體的自然運(yùn)動還有較大差距?！叭绻獙?shí)現(xiàn)更多自由度、更接近人體仿生學(xué)的關(guān)節(jié)控制，還有很遠(yuǎn)的路要走?！保〒?jù)南方日報(bào)、廣州日報(bào)）endprint