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“人工触觉”新进展,研究者讲述如何打造一只堪比真手触觉的假手

自1958年仿生学(bionics)一词诞生以后的几十年里,人类一直都致力于造出各类“仿生”器官,以帮助那些因为先天或者后天而造成某种“缺失”的同胞们。就人类的“五感”而言,听觉、视觉、味觉和嗅觉都先后取得了突破性进展,如今,“人工触觉”的应用也进入了倒计时。

达斯丁·J·泰勒是克利夫兰凯斯西储大学功能神经界面实验室主任。他在科学和工程领域探索人类直接与机器交互的方法。他将亲自告诉你,他是如何打造一只堪比真手触觉的假手,以及这项感觉模拟技术将在许多方面改变我们的生活,可以让人们以之前从未有过的方式触摸物体并产生感觉。

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伊戈尔·斯派提克(Igor Spetic)是位于克利夫兰的路易斯·斯托克斯退伍军人医疗中心的志愿者。他的右手因工伤失去,现在是塑料和金属制成的假手。他可以通过右臂肌肉的收缩和伸张控制一只假手,但这只假手与目前大多数截肢者使用的假手一样,控制起来非常笨拙。

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斯派提克用右手抓住这只葡萄,试图把葡萄从葡萄串上摘下来。但没有成功,葡萄被他的右手手指捏破了。

接下来,我们启动了这只假手的触觉模拟系统。该系统是我们团队在克利夫兰凯斯西储大学(Case Western Reserve University)功能神经界面实验室的研发成果。两位外科医生已经在斯派提克的右臂中植入了电极,这些电极在20个部位与他的3根手臂神经接触。

刺激不同的神经纤维,斯派提克就会有感觉——就像来自于他那只失去的右手。比如,刺激某个点,斯派提克会感到有人摸他的右手掌;刺激另外一个点,他的“右手拇指”就会有感觉,等等。

为了测试这些感觉能否使斯派提克更好地控制他的假手,我们将薄膜力传感器植入他的假手的拇指、食指和中指,并根据这些传感器发来的信号,控制植入他手臂的电极发出相应的刺激信号。斯派提克又拿起了一个葡萄,这次,他灵巧地用右手抓住葡萄,左手拔下了葡萄柄。在这个过程中,葡萄没有受一点损伤。

在我们的实验中,启动触觉模拟系统后,斯派提克摘下葡萄柄而不捏破葡萄的成功率为93%,而不启动触觉模拟系统的成功率仅为43%。此外,斯派提克表示,触觉模拟系统使他觉得他不是在使用某种人造工具,而是在使用自己的右手。当我们启动触觉模拟系统后,他说:“这就是我的右手”。

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在一次工伤中失去右手的伊戈尔·斯派提克(右),与作者达斯丁·J·泰勒(左)

接下来,我们希望造出感觉堪比真手的假肢。我们的近期成果不错:斯派提克有一小会儿甚至忘了他已经失去了右手。现在,我们的触觉系统还很不完善,并且还只是实验室产品。斯派提克手臂上的电极必须与我们的控制电脑连线,以便控制电脑发出刺激信号。

然而,这毕竟是有史以来第一次让一个失去手的人能够拥有类似真手的感觉。

我们正在努力研发可完全植入病人手臂内的系统,我们希望5年内该系统能投入临床试验。

如果我们真的能够让假手拥有触觉呢?现在,残疾人使用假手只能进行不需要精巧性的工作,比如抓握。我们的假手系统提供的感觉反馈能够提高残疾人对假手的控制能力,让他们的假手能从事生活中更多的细微操作。

此外,我们希望,残疾人通过假手能重新感知他人的情感,并表达自己的情感。当我们向斯派提克和其他假手用户询问,他们希望如何改进我们的假肢系统时,他们都希望:能握着爱人的手并产生和原来真手一样的感觉。我们的技术应该能帮助他们做到这一点。

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我的整个职业生涯都献给了人类与机器交互的研究。我在生物工程和神经工程领域的研究工作促使我探求以下基本问题的答案:

1)电路如何向神经发送神经能够理解的信息?

2)基于1),我们如何让一个失去手的人重新获得手的感觉?

3)我们能够用2)的技术让其他人的生活更美好么?

过去的几十年,神经工程领域发生了十分显著的进步,包括更好的、能植入大脑或身体的硬件,以及能够理解并模仿自然神经信号的软件。神经系统通过电刺激在脑细胞之间传递信息,或者在神经元之间传递信息。这些信号控制身体包括肌肉在内的运动部分,然后,神经再把感觉、肢体位置、肌肉力量等反馈信息传输回来。

通过将电极直接植入肌肉,或者让电极围绕着控制肌肉运动的神经,我们可以给这些电极发送如移动手指、站起来和抬腿的信号。近期的更多工作集中在认识和模拟感觉系统,这些工作受到美国退伍军人事务部和国防高级计划研究局“手本体感受和触觉界面(Hand Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX))”项目的支持。

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克利夫兰退伍军人医疗中心拍摄:X光照片显示了植入斯派提克前臂的电极,以及他上臂用来连接外部控制电脑的电线

我们团队的触觉神经接口研究工作受到了以上2个部门的支持,但研究焦点放在模拟失去的手与大脑之间的通讯信号。触觉神经接口的工程研发很困难,因为电脑必须精确刺激人的手臂神经,又不能干扰手臂神经的正常工作。此外,这套系统还得在植入人体的情况下正常工作多年。

有几种办法来设计一个植入式神经接口。对人体损伤最小的方法是将电极埋入肌肉,埋入点位于神经与肌肉的连接处附近。基于该方法的系统已经被用来恢复中风、脊柱损伤和其他神经损伤病人的肌肉功能。人体基本上不会排斥这些电极,通过简单手术更换这些电极也很容易。但是,当电极刺激肌肉运动时,可能需要高达20毫安的电流。这跟织物静电打痛你时的电流差不多。更糟的是,这么大电流有时也不足以完全驱动肌肉。

对人体损伤最大的方法之一是直接将电极植入神经,并让电极尽可能接近目标神经轴突——即神经细胞传递信号的部分。这样可以显著减小所需电流,并且可以精确刺激一部分选中的轴突,而不是刺激全部轴突。但是,人体对植入神经细胞保护层内的物体有强烈排斥。动物实验中,神经细胞会通过发炎的方式把电极挤出神经轴突。

重建触觉

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为了让一只假手有感觉,凯斯西储大学研究人员通过外科手术,将电极植入负责传输手感觉信号的正中神经、桡神经和尺神经。扁平电极(右上图)可以让电流接触神经纤维比传统环形电极(左上图)更加有效。当准确的电信号通过电极导入神经纤维后,人脑会感到他的手心和手背的特定部位被接触,并有不同的触感。尽管信号目前来自外部计算机,研究人员下一步计划将控制芯片植入人体,它可以与假手进行无线通信。

介于两种手段之间的方法是让电极贴在神经轴突表面。目前,能够在一个点刺激神经的系统已经商业化,用于治疗癫痫,并帮助中风病人说话和吞咽。更复杂的多点神经刺激系统已经经过了10年的临床试验,用来恢复脊柱损伤患者上下肢的功能。

20世纪90年代末,我的研究团队已经开始研究这种神经接触电极。早期我们解决的一个问题是,如何在不伤及神经的情况下尽可能增加电极和神经的接触面积。传统电极的圆柱形状和小接触面积使得它们不适合作为环绕电极。我们将电极制成扁平状,使得电极能够跟神经紧密贴合。

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电极连接:这些由作者团队发明的扁平电极包绕一根神经纤维,并允许最多8个通道向神经发送信号。

2014年,我们推出了最新版本的扁平电极。它拥有8个触点,每个触点都提供一个发送刺激的通道。目前,我们已经完成了几例扁平电极植入手术。我们将扁平电极植入参加摘葡萄柄实验的志愿者斯派提克的中神经和尺神经——两根手臂的主要神经。他的桡神经植入了传统的圆形电极。这些电极提供了20个刺激通道:中神经和尺神经各有8个,桡神经有4个。

斯派提克第一次测试我们的系统时,我们不知道这些通道是否能模拟代表不同感觉的信号,或者模拟手的不同位置的信号。我们紧张地启动了仪器,并刺激斯派提克的中神经。“哇!”他说,“感觉来自我的右手拇指尖。这是我失去右手以来第一次有来自右手的感觉。”他的话是对一个研究者毕生追求的最佳褒奖。

进一步的测试证明,我们的20个通道成功模拟了斯派提克右手19个部位的感觉,包括手掌左右边缘、手背、手腕、拇指和指尖。

下一代电极提供的通道数目将提高4倍。通道越多,我们便能更精确地刺激小部分神经轴突,并提供更多的感觉。除了触觉,我们还能制造其他感觉,比如热觉、痛觉和肌肉运动直觉。尽管人们不喜欢痛觉,但是痛觉是重要的保护机制。在我们的实验中,一个刺激通道确实产生了痛觉。接下来,我们会让痛觉的产生更可靠。

目前,我们正在开发新的神经通道技术。斯派提克从2012年5月就植入了我们的电极系统,迄今为止,这套系统工作良好。当系统关闭时,他根本不觉得他身体中植入了什么东西。

当然,产生基本感觉是一回事,通过这些基本感觉让人产生更复杂的感受是另外一回事。打个比方:你能发出声波,但是为了能够让声波传递信息,声波必须符合语言的模式。在第一次试验中,我们用强度和周期固定的脉冲刺激神经。这种简单周期性刺激导致了类似于针刺的痛感。我们只是在发出声波,但还没能说出语言。

简单周期性电信号并不是神经系统正常模式库的一部分,人类大脑只有处在在癫痫发作等异常状态时才产生这种电信号。我们猜测,周期性电信号使得几百个神经元同时被刺激,并发射信号,而大脑只能把这种非正常的信号解释为刺痛。

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第二次试验,我们改变了电刺激的模式。我们改变刺激脉冲的周期,但产生的结果与第一次没有什么差别。可能的电刺激模式种类多的吓人,搞清楚是什么刺激模式能够让斯派提克产生什么感觉,是一件极其烧钱和花费时间的事情。

为了加快进度,我决定检测正常人的神经信号和感觉之间的对应关系。使用一套非侵入式神经刺激系统,我们团队的一名成员将电极放在我的手指上,这样电极可以刺激浅表神经。我让学生使用不同模式的电信号刺激我。我发现,电刺激的强度按1赫兹正弦波变化,就可以获得正常的触感——就像什么东西在挤压我的手指。

我们在斯派提克身上测试了这种刺激模式。当系统启动后,有一小会,他看上去有点迷惑,然后他用左手摸着脖子。“这次根本不是刺痛。这是一种挤压的感觉,就像我把手放在我的脖子上那种感觉。”对系统进行微调后,他获得了更加自然的触感而不是挤压感,“就像有人用手指轻点我的手掌。”

我们猜测,较弱电脉冲刺激的神经元较少,较强电脉冲刺激的神经元较多。改变针对不同神经元的刺激周期,就可以发出让大脑理解为触觉的信号。

我们正在努力寻找更多刺激信号模式和更多感觉之间的对应关系。目前,斯派提克已经能分辨出接触物体的“质感”,比如充满小钩的尼龙搭扣接触皮肤和砂纸接触皮肤的不同感觉。他还能感到物体在他的皮肤表面移动、跳动和拍击。此外,斯派提克已经能用假手控制精巧的物体,这在之前是不可想象的。随着越来越多的感觉的获得,他对他的假手充满信心。

那么,我们的研究如何造福更多的人?

我们与美敦力公司和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室合作,正在开发一款可完全植入人体的神经刺激系统,并配以外形与人手更加相似的触觉假手。该项目旨在3年内制成实用化系统,在5年合同的最后一年,进入临床试验阶段。

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作者团队正在研发一款能完全植入人体的触觉系统,并在五年内进入临床测试阶段

制造一款能够产品化的复杂神经刺激系统是非常困难的。假手需要持续监测置于皮肤表面的数百个触觉和位置传感器,并将信息传给植入人体的刺激系统,然后,刺激系统发射对应模式的电刺激信号给手臂神经。同时,刺激系统将检测用户残臂上的16块肌肉,获得用户向手掌发送的神经信号,将神经信号转换成电机驱动指令,发送给假手,从而让假手能够发生动作。

该系统将拥有96个感觉传送通道和16个运动指令发送通道来完成感觉上传和运动指令下传功能。这些功能必须实时完成。

在改进系统时,我们试图找出最佳的神经接触点数目。如果我们采用3个扁平电极,每个拥有32个神经接触点,我们就能有96个传输手部感觉的通道。那么,要有多少传输手部感觉的通道,用户才能察觉不出跟真手的差别呢?这些通道之间是相互独立的吗?它们之间会发生信号串扰吗?

为了制成能独立运行而非依赖体外电脑的系统,我们需要将处理器小型化,并将其置于假手中。此外,植入人体的电子部件必须足够可靠,能在人体内长期运行,并且不需要在皮肤外面引出电源线供电。我们同样需要建立植入手臂的处理器和假手中处理器的通信协议。

我们面临着巨大的工程挑战。但若我们获得成功,这项感觉模拟技术会造福除了截肢者之外的更多人。感觉模拟技术将允许人们以之前从未有过的方式触摸物体并产生感觉。比如,一个产科医生用“手”感觉到胎儿的心跳,而不仅仅是依赖超声多普勒成像。

比如,一个拆弹专家用“手”感觉到炸|弹内部的电线,但实际上这个炸|弹是被远程控制的机器人触摸;比如,一个地理学家用“手”感觉到石块的重量和质地,尽管这块石头远在数千千米之外;比如,一个销售人员同客户远程亲密握“手”。

如此多的美妙前景,将在下个10年成为现实。感觉能让我们获取自身和周围世界的信息。利用技术拓展我们的感觉,我们将使人类的能力变得更强——即使这种变强只是体现在让一个截肢者握住伴侣的手,感受和表达心中的爱意。

关键词

机器人  假手  人工触觉 

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