在科幻電影中,我們常看到一些可以靈活控制假肢的電影鏡頭,而在生活中,卻難以實現,因為制造一只精致的機械手是一回事,而讓它按你的指示去做又是另一回事。對于所有的設計用于按指示去彎曲每個復雜的關節的手形假肢,現在仍然存在一個問題,即如何從佩戴者的大腦發送這些指示。
圖|電影《阿麗塔:戰斗天使》
目前大多數機器人假肢主要是分兩種:1)利用從皮膚表面記錄截肢后完好的肌肉發出的電信號。2)通過聽神經將大腦的指令傳遞到手臂上。但是這兩種方法都存在信號傳輸問題。因此,研究人員試圖通過將神經信號連接到肌肉來增強神經信號。
近10年來,由密歇根大學安娜堡分校的整形外科醫生Paul Cederna領導的團隊一直在開發另一種方法:給神經提供自己的新小肌肉。研究人員從手臂的每條主要神經中分離出纖維束,并將每束纖維包裹在一塊回形針大小的肌肉組織中。由于以這種方式包裹神經還可以減輕截肢后常見的某些類型的疼痛,因此數百人已經接受了這種手術,但是還沒有在這些肌肉植入植入物來控制假體的研究。
現在,Paul Cederna和UM神經工程師CynthiaChestek等人表明,植入上肢截肢者體內的再生性周圍神經接口(RPNIs)可以在不需要調整的情況下,使用人工手控制手指運動近一年。實現了通過利用手臂神經發出的信號,被截肢者只需思考他們想要的手指運動,就能精確地控制機器人的手。
RPNI手術的細絲電極插入和解剖圖解
在三名已經在手臂上不同部位截肢的參與者(已經植入了肌肉植入物)中,通過肌肉植入物附近的皮膚插入電線可以很容易地拾取其電信號。即使在肩膀附近截肢時,計算機也可以解釋哪些細微的肌肉在收縮,以及收縮多少,以分開不同的預期動作,例如,食指與拇指的彎曲。
圖|動作演示
圖|持續300天演示
其中兩名參與者(均在手腕處截肢)選擇了長期電極植入物,從而可以進一步測試他們的手部控制。當控制市售的假肢LUKE手臂時,兩個參與者都可以將拇指移動到精確的空間目標上,并撿起并堆疊一組小木塊。
實時連續控制功能任務
最后相信在全球科學家的努力之下,科幻電影的科技終會變成日常生活中的一部分。
參考文獻:
1. Vu PP, et al. A regenerativeperipheral nerve interface allows real-time control of an artificial hand inupper limb amputees. Science Translational Medicine. 2020;12(533):eaay2857.
https://stm.sciencemag.org/content/12/533/eaay2857
2. Kelly Servick. Minimuscles letamputees control a robot hand with their minds. Science 2020.
doi:10.1126/science.abb5810