新型机械手臂助截肢者有感觉地抓起鸡蛋,意识控制有触觉

日期:2020-02-03编辑作者:澳门威斯尼人网站

来源:新华网 发布时间:2019/7/25 13:32:16 选择字号:小 中 大 新型机械手臂助截肢者有感觉地抓起鸡蛋

装好高科技假肢后,Keven Walgamott 想做的第一件事,是自己动手带上结婚戒指,在此之前,他自己一只手很难做到。

心电感应技术是世界最热门的研究领域之一。科学家们致力于在大脑和外部设备之间建立一条传输大脑指令的通道,以此帮助行动障碍的人重获独立生活的能力。来自浙江大学研究组的科学家2月21日下午宣布,他们已在猴子身上实现了大脑信号遥控机械手做出抓、勾、握、捏等较精细的手势。据了解,这是国际脑-机接口领域取得的最新成就。其不仅为科学家进一步为残障人士研发精密假手带来了希望,也为进一步全面破译脑部精细信号,并将信号对机器的准确传递建立了研究模型。浙江大学脑-机接口研究团队研究人员在一只名为建辉的猴子的大脑运动皮层植入了芯片。芯片一边与猴子大脑的200多个神经元相连接,另一边连接着一台计算机,实时记录着建辉一举一动发出的神经信号。生物医学工程、计算机、医学等领域的研究人员利用获得的神经信号,研发神经信号实时分析系统,对记录到的200个神经放电信号进行解读,最终区分出了建辉抓、勾、握、捏四种不同信号的密语。记者在实验室中看到,这只名为建辉的猴子为了从吸管中喝到饮料,用手做出了不同动作。在建辉半米之外的一只机械手,同步模拟出了它的手部动作。据了解,建辉控制的这只机械手,是世界上最精密的机械手之一,由意大利圣安娜高等研究大学Carrozza教授领导的实验室研制。浙江大学脑-机接口研究团队负责人郑筱祥教授说,当建辉想要抓、握物体时,它的脑信号被外部的计算机所截取并破译,直接传递到了机械手,心灵感应就这样产生了。据介绍,大脑是一个充满液体和神经元的容器,上千亿个神经元之间通过发出微小的电脉冲相互交流,对人体运动大到行走、小至抬眉的一举一动发号施令。上世纪90年代起,随着脑-机接口等技术水平的迅速发展,人类读懂这些神经信号的希望越来越大。据介绍,手的运动区少说也有几万到几十万个神经元。浙大的研究者利用200个左右的神经元能对手的运动做出解码。当然,相对于真正灵活多变的手指运动,其控制指令在精细度和复杂度上还有较大的研究空间。浙江大学脑-机接口研究团队此前已实现了植入大鼠脑部的动物导航系统、基于脑电的中文打字机、对猴子手臂运动轨迹的神经解码等成果。部分成果实现初步转化,若干神经康复设备得以开发。特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的来源,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

新华社华盛顿7月24日电美国犹他大学等机构科研人员开发出一种新型机械手臂,截肢者使用这种机械手臂能感觉到物体的软硬,可精准地抓起鸡蛋或葡萄而不会导致其破碎。

Keven Walgamott 家住美国犹他州西谷市。17 年前,他在一次电气事故中失去了左手和部分手臂。从此,一些正常人轻松完成的事情,对 Keven Walgamott 来说可能就是一项艰巨的任务。

发表在新一期美国《科学机器人学》杂志上的论文显示,这种机械手臂由金属马达和硅材料皮肤等组成,由外部电池提供动力。它含有100个微电极,通过导线与截肢者残存手臂上的神经系统相连,同时也通过导线与外部计算机连接。

2017 年,Walgamott 参加了一项犹他大学(University of Utah)生物医学工程团队进行的高科技假肢原型测试,包括他在内,共有 7 名受试者。这款高科技假肢的手指不仅可以跟随大脑意识灵活移动,更重要的是,它还能够在触摸物体时产生灵敏的触觉。

截肢者使用这种机械手臂时,大脑发出指挥机械手臂运动的神经信号,与神经系统相连的导线将信号传递给计算机,计算机将其转译为数字信号,机械手臂随之运动。

“这几乎让我流泪,这真的很神奇。我从来没有想过我能再次感受到那只手。”Walgamott 谈到第一次在临床测试中使用这款机械手臂时说。

机械手臂的手指上装有传感器,可以感觉触碰物体时受到的压力,相关信号会被传递回大脑。研究人员建立了一套模拟人类手臂神经系统传递感觉等信号的计算模型,使得截肢者在使用这种机械手臂时,大脑能清楚地收到机械手指的感觉,并随之发出指令。

而据犹他大学生物医学工程副教授 Gregory Clark 介绍,“感人的是,他(Walgamott)想做的第一件事,是为自己带上结婚戒指,毕竟在此之前自己一只手很难做到。”

一名参与测试的截肢者在戴上这种机械手臂后,在不破坏目标的前提下成功完成了抓鸡蛋、摘葡萄等任务。

研究人员还为这款高科技假肢取了一个很有情怀的名字——卢克臂,“卢克”一词取自《星球大战-帝国反击战》中的卢克·天行者(Luke Skywalker)。

领导这项研究的犹他大学生物医药工程专业副教授格雷戈里克拉克说,目前这种机械手臂应用于肘关节以下截肢者,他认为这套系统将来也可用于肘关节以上截肢者。

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研究团队还在尝试让这种机械手臂通过无线信号连接到计算机,这样能给使用者更大的活动自由。

图 | Gregory Clark 和卢克臂(来源:University of Utah)

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有关卢克臂的详细内容和测试数据,于 2019 年 7 月 25 日发表在最新一期的《科学机器人》(Science Robotics)杂志上。

有感觉的假肢

卢克臂硬件主体由金属发动机和透明硅“皮肤”组成,通过外部电池供电,并与电脑相连。它是由总部位于新罕布什尔州的Deka Research and Development 公司历时 15 年开发。

卢克臂的信号系统由 Gregory Clark 所领导的犹他大学研究小组开发,该系统允许假肢手臂接入佩戴者的神经系统,实现大脑向机械手臂发送动作信号。

在该系统中,主要使用了犹他大学生物医学工程荣誉杰出教授 Richard A. Normann 的一项重要发明——犹他斜电极阵列(Utah Slanted Electrode Array)。阵列是由 100 个微电极和导线组成,它们被植入截肢者前臂的神经,并与身体外部的电脑相连。阵列解析来自手臂中的神经信号,通过计算机将它们转换成数字信号,然后指挥机械手臂的移动。

在这项最新成果中,除了实现大脑信号对机械手臂的控制,反过来还要实现大脑对机械手臂的触觉感知,因为要完成像捡东西这样的简单任务,需要的不仅仅是大脑告诉手臂如何移动,机械手臂还要学会“感受”物体,以便让大脑知道施加多大的力。

为了实现这一点,研究人员在机械手臂上安装了能够通过阵列向神经发送信号的传感器,以模仿手抓东西时的感觉。这其中的关键是,如何向手臂神经发送这些数字信号,尤其是涉及到当刚刚接触这些物品时,大脑如何处理转化接受到的信息。

在正常人的触摸过程中,当刚刚接触物体的那一刻,会有一股神经脉冲信号沿着神经传入大脑,然后逐渐减弱,而机械手臂就是要模拟这一过程。

“仅仅提供感觉是一件大事,但你传递信息的方式也至关重要,如果你让它在生物学上更真实,大脑就会更好地理解它,这种感觉的表现也会更好。”Clark说。

为此,研究团队通过一系列复杂的数学计算和灵长类动物手臂上的神经脉冲信号记录,创建了一个近似模型,以模拟人类如何接受和处理这些不同的信号模式。最终将该模型实现到卢克臂中。

完全的自由

卢克臂可以模仿人类手指触摸和感受物体的方式,向大脑发送触觉信号。这样就意味着,与传统假肢中使用没有触觉感受的金属钩子或抓手不同,佩戴卢克臂的患者可以像正常人一样对软的或硬的物体产生触觉,从而能够执行一些精细的任务,比如拿起一颗鸡蛋或摘下一颗葡萄,而不至于用力过度捏碎物品;再比如与自己的爱人浪漫地十指相扣,而不至于夹疼对方。

图 | Keven Walgamott 正在通过机械手臂摘葡萄(来源:University of Utah)

“我们改变了向大脑发送信息的方式,使其与人体匹配。通过与人体匹配,我们能够看到改进的成就,我们正在创造更符合生物学原理的真实信号。”研究论文第一作者、犹他大学生物医学工程博士 Jacob George 表示。

除了创建具有触觉的卢克臂原型,研究团队还开发了一个完全便携的版本,不需要连接到身体外部的计算机。通过无线连接,给予佩戴者完全的自由。

而且据 Clark 介绍,虽然在研究论文中主要针对的是触觉成果描述,但实际上,犹他斜电极阵列不仅仅能够向大脑发送触觉信号,还可以实现疼痛和温度信号的传入。而且虽然该研究目前只涉及失去肘部以下的截肢者,但卢克臂实际上也可以应用于失去肘部以上手臂的截肢者。

研究人员还表示,他们希望在 2020 年或 2021 年,其中的三个测试对象能够把卢克臂带回家使用,不过这一步还需要监管部门的批准。

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