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仿生手臂升级成意识控制

作者: admin 来源: 未知

 

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图片来源: Matthew Stout/Sikich

 

Jodie O’Connell-Ponkos曾经使用过五年假肢手臂,直到有一天她沮丧地把它扔在房间中。恨只能算是轻描淡写,” Jodie O’Connell-Ponkos回忆道。1985年,16岁的Jodie O’Connell-Ponkos工业绞肉机夺去了右臂的一部分。她已经有20年不再使用新假肢了。

 

O’Connell-Ponkos的经历在上肢截肢者中非常常见:尽管假肢在工程和可用性方面取得了很大进步,截至2007有高达75%的使用者放弃使用电动假肢,这一比例在25年间并没有太大的改变。

 

其中一个原因可能是,尽管有了更好的材料、更强大的电机以及附加了更多的关节,但是上肢假肢使用的仍然是20世纪50年代开发的控制系统。这套控制系统包括由笨重的电缆和背带组成的身体动力供电系统和肌电系统,肌电系统使用安放在截肢部位皮肤中的电子传感器检测肌肉活动,之后把这些活动指令发送给电机使其产生动作。例如,二头肌收缩行为可能需要使人工肘关节弯曲,但这不符合人类的直觉,因此往往需要大量的练习才能熟练使用。

 

去年,O’Connell-Ponkos 尝试了一款装备了可以识别细微神经信号的新型控制系统的上肢假肢,这款上肢假肢由芝加哥市基础工程公司Coapt 生产。与她青少年时使用的假肢不同,新的手臂能让她活动得更加自然甚至是优雅。如今,这位活泼外向的驯马师时刻穿戴着她的假肢,这款假肢可以帮助她完成从劈柴到梳马尾辫事情。

 

尽管被大部分人忽略,最近这一使上肢假肢更加自然、直观的控制系统却是值得注意的。今年在波士顿举行的美国矫正和修复协会American Orthotic and Prosthetic Association大会上,我不得不在展览大厅后面一排排引人注目的矫形器和人腿假肢的摊位中寻找Coapt的小摊位。在那里,被聘请为Coapt公司代言人的O’Connell-Ponkos正在推销他们的技术这项技术可以与五大知名假肢制造商的产品兼容。

 

Coapt公司的联合创始人兼CEO Blair Lock称,该公司在2013年底进入市场,目前估计有200人正在使用该系统。该系统被包裹在一个黑色的小盒子中,它由一个电路板和一组算法组成,该算法使用模式识别技术解码从手臂肌肉中传递来的电信号它成为了连接用户的想法和假体动作之间的桥梁。

 

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图片来源:Megan Scudellari

下一代的Coapt设备(橙色的模型)将会比第一代的产品(黑色的)明显地小、薄。

 

肌肉就像扬声器一样可以放大神经冲动,如果单独检测神经冲动,那可以说是非常安静的,同时,它还包含大量的信息成分,就像交响乐一样,Lock说。传统的肌电系统仅能检测到音乐的音量,但模式识别软件可以把一个特定的大脑信号模型(就像一首独特的歌)和一个动作联系起来。

 

该公司计划于近期发布一款比第一代产品更小的第二代产品,同时,他们最近从普渡大学得到了一项可以从皮肤下读取电信号的植入式电极技术的授权,尽管Lock对于这项技术的发展计划守口如瓶。

 

改变上肢假肢控制方式的道路上Coapt并不孤单其他两个领先的假肢制造公司也在努力提升假肢的控制系统。约翰霍普金斯模块化假肢上肢(MPL)也可以使用模式识别软件操作,而德克研究公司DEKA Research以《星球大战》中卢克·天行者的假肢命名的“LUKE Arm” 采用的是Coapt系统,同时还装备一个无线的脚部控制系统。无论是MPL 还是LUKE Arm都是由DARPA资助的。这两个产品都还没有上市销售,LUKE Arm计划于今年年底推出。

 

霍普金斯的MPL的模式识别系统是内部开发的,MPL的创造者——霍普金斯大学应用物理实验室的研究与开发部总工程师 Mike McLaughlin说,我们的想法是能够把意识转化为动作。

 

LUKE Arm可以通过包括Coapt系统在内的多种方式控制,德克研究公司DEKA ResearchLUKE Arm开发团队的一员Tom Doyon说。特别的是,LUKE Arm还可以使用无线脚控制,就像使用操纵杆一样使手臂按预定模式移动。

 

然而,上述的假肢使用起来没有一个可以像天生的手一样。即使是最好的控制系统也只是执行一系列预先设定的动作,而不能随心所欲地动作。拿Coapt系统来说,使用者可以预先设定约六至八个动作,如日常使用的伸出手指、捏合或者攥拳等。

 

现在,限制假肢发展的因素不是手臂的设计和制造技术MPL为例,它由26个关节和上百个传感器组成,而是破译大脑信号的带宽。在移动手臂的时候,可能有5亿个神经元参与但是现在我们最多只能观测到几百个神经元,”McLaughlin说,这些东西都存在于我们的大脑中,但是我们观测它们的能力却是有限的。

 

未来的假肢控制技术希望通过在皮肤下甚至大脑中植入电极的方式来直接探测大脑的交响乐。最近,霍普金斯MPL团队与匹兹堡大学研究人员合作对两例重度脊髓损伤病人实施了脑电极植入手术。理想上,希望该技术有一天会成为无创手术,McLaughlin说,但我们还没有达到这样的效果。请再给我们一年左右的时间。

本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。


 

(翻译:么宇辉;审校:杨玉洁)

 

 

原文链接[IEEE Spectrum]

http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/bionics/thoughtcontrol-systems-advance-bionic-arms

 

 


关于我

Megan Scudellari

Megan Scudellari是一个生命科学方面的科学记者,她曾屡获殊荣。她不仅是IEEE Spectrum的 Human OS博客撰稿人,而且是Boston Globe 健康专栏作家,同时为Newsweek, Bloomberg News, Scientific American, Discov