科技之光：給機(jī)械臂加上觸覺，可讓殘疾人行動(dòng)更自如

圖片來源：Pixabay

大多數(shù)健全人都可以輕而易舉地完成簡(jiǎn)單的日常事務(wù)——當(dāng)他們伸手去拿一杯熱咖啡時(shí)，他們能夠感受咖啡的重量和溫度，并以此調(diào)整握姿，防止液體灑出。當(dāng)人手部的觸覺和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)完好時(shí)，在觸碰或者握住物品的瞬間，他們就能感覺已經(jīng)接觸到物體，從而能夠自如地開始移動(dòng)或舉起物體。

但是當(dāng)一個(gè)人操作假肢時(shí)，這些工作就變得非常困難，更別說是用大腦去控制了。

發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志的論文中，一個(gè)來自美國(guó)匹茲堡大學(xué)康復(fù)中心神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室（University of Pittsburgh Rehab Neural Engineering Labs）的生物工程師小組描述了如何通過增加大腦刺激來喚起觸覺，從而使操作者更方便地操作機(jī)械臂。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)在視覺基礎(chǔ)上補(bǔ)充人工觸覺后，操作者抓取和移動(dòng)物體的平均時(shí)間從20.9秒減少到10.2秒。

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論文的聯(lián)合通訊作者、匹茲堡大學(xué)物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)系（Department of Physical Medicine and Rehabilitation）的副教授Jennifer Collinger說：“從某種意義上說，我們預(yù)料到這會(huì)發(fā)生，但是我們沒想到能達(dá)到實(shí)驗(yàn)中觀察到的程度。肢體和手部的觸覺反饋對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钪械恼Ｐ袨橹陵P(guān)重要，當(dāng)這一反饋缺失時(shí)，人們的行為能力就會(huì)受損?！?/span>

這項(xiàng)研究的參與者Nathan Copeland是世界上第一個(gè)不僅在大腦運(yùn)動(dòng)皮層，而且在大腦體感官皮層（大腦中處理身體感官信息的區(qū)域）也植入了微型電極陣列的人。這個(gè)陣列讓他不僅能通過大腦控制機(jī)械臂，還能接收到觸覺反饋，與脊髓功能完好的人身上神經(jīng)回路的運(yùn)作方式類似。論文中對(duì)他的情況進(jìn)行了描述。

Copeland說：“我已經(jīng)對(duì)刺激產(chǎn)生的感覺以及在沒有刺激的情況下執(zhí)行操作都非常熟悉了。盡管這種感覺不是‘自然的’，能夠感覺到壓力和輕微的刺痛，但絲毫不會(huì)困擾我。我從來不覺得接收刺激信號(hào)是我需要去適應(yīng)的，在執(zhí)行操作的同時(shí)接收到刺激信號(hào)，對(duì)我而言自然得就像‘花生醬夾果醬三明治’?！?/span>

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一場(chǎng)車禍中，Copeland手臂受損，于是他加入了一項(xiàng)用以測(cè)試觸覺運(yùn)動(dòng)微電機(jī)的腦-機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）的臨床實(shí)驗(yàn)，并植入了美國(guó)Blackrock Microsystems公司的四塊微電機(jī)陣列，通常也稱作Utah陣列。

這篇論文是在早期研究基礎(chǔ)上的進(jìn)一步深入。早期的論文首次描述了使用微小的電脈沖刺激大腦的感覺區(qū)域，將如何在一個(gè)人的手部激發(fā)觸覺，這種方法甚至對(duì)由于脊髓損傷導(dǎo)致四肢失去感覺的人也有效。而這項(xiàng)新的研究中，研究人員將用來自腦部的信號(hào)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)與信號(hào)傳回大腦產(chǎn)生的感官反饋結(jié)合起來。

在一系列的測(cè)試中，腦-機(jī)接口操作者被要求從桌子上拿起各種物體并轉(zhuǎn)移到一個(gè)較高的平臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)證明，加入電刺激產(chǎn)生的觸覺反饋后，參與者完成任務(wù)的速度是在沒有電刺激情況下的兩倍。

在新的論文中，研究者希望能在盡可能接近真實(shí)世界的環(huán)境中測(cè)試觸覺反饋的效果。

論文的聯(lián)合通訊作者、匹茲堡大學(xué)物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)系（Department of Physical Medicine and Rehabilitation）的副教授Robert Gaunt說：“我們不希望在任務(wù)中去除知覺的視覺成分。即使是恢復(fù)有限的、有缺陷的知覺，（殘疾）人的行為能力都有了非常大的提升。為了使觸覺更逼真，并將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于人們的生活，我們還有很長(zhǎng)的路要走。但是當(dāng)我們距離重建大腦的正常輸入這一目標(biāo)越近，我們的生活就會(huì)越美好?！?/span>

翻譯：顧晨月

編輯：戚譯引

引進(jìn)來源：匹茲堡大學(xué)

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