通過(guò)一頂帽子和一只機(jī)械手，科學(xué)家第一次使用腦機(jī)接口的方式讓四肢癱瘓的殘障人士在實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境下“隨心所欲”地使用自己的雙手，完成進(jìn)食、喝水、簽名等基本的日?；顒?dòng)。這一研究將顯著提高他們的生活質(zhì)量。

南方周末特約撰稿 陳彬

A先生將右手慢慢地伸向桌上的一個(gè)盤(pán)子，拿起一片盤(pán)中的薯片，慢慢地放進(jìn)了自己的嘴里。這樣的一個(gè)動(dòng)作對(duì)普通人來(lái)說(shuō)也許不值得大驚小怪，但于他而言卻有著不同的意義。就在十分鐘前，即使是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作他也無(wú)法完成，因?yàn)樗且幻闹c瘓的殘障人士。這種巨大的改變得益于他手上戴的一只“機(jī)器手”外骨骼以及頭上戴的一頂“帽子”。這個(gè)系統(tǒng)由德國(guó)、西班牙和意大利的科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)而成，相關(guān)的研究結(jié)果最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志新創(chuàng)刊的子刊《科學(xué)-機(jī)器人》（Science Robotics）雜志上。只需在第一次使用時(shí)進(jìn)行大約十分鐘的調(diào)試和適應(yīng)，四肢癱瘓的殘障人士就能“隨心所欲”地使用自己的雙手，完成進(jìn)食、喝水、簽名等基本的日?；顒?dòng)了，這必將顯著提高他們的生活質(zhì)量。

受損的“必經(jīng)之路”

即使是端起一杯水這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，要得以實(shí)現(xiàn)也需要手上各種肌肉各司其職、相互協(xié)調(diào)才能夠完成。而在執(zhí)行這個(gè)動(dòng)作期間，這些肌肉是拉伸還是收縮、在何時(shí)拉伸或者收縮，都是由大腦中相關(guān)區(qū)域的神經(jīng)元來(lái)控制的。這些神經(jīng)元會(huì)像接力賽跑一樣把給肌肉的指令傳遞給它們下一級(jí)的神經(jīng)元。在經(jīng)過(guò)逐級(jí)傳遞之后，這些指令最終會(huì)到達(dá)相應(yīng)的肌肉組織，“命令”它們拉伸或者收縮。

不管是給手指肌肉的指令還是給小腿肌肉的指令，要想到達(dá)相應(yīng)的肌肉組織，都要經(jīng)過(guò)一條“必經(jīng)之路”：脊髓。脊髓就像一條傳遞信息的“光纜”，大腦發(fā)送給身體絕大多數(shù)區(qū)域的指令都需要經(jīng)過(guò)它才能夠到達(dá)目的地。如果這條“光纜”受到了損傷，指令的傳遞就會(huì)受到影響甚至被阻斷，導(dǎo)致這些指令無(wú)法得到執(zhí)行。很多殘障人士四肢癱瘓便是由于種種原因（如車(chē)禍等）造成的脊髓損傷導(dǎo)致的（除了不能活動(dòng)外，四肢感受到的外界信息，比如觸覺(jué)信息，也無(wú)法傳遞給大腦，因此人的這些感覺(jué)也會(huì)受損甚至完全缺失）。

牽線搭橋

想讓這些殘障人士能夠重新活動(dòng)他們的四肢，在脊髓這條“光纜”受損的情況下，科學(xué)家必須想辦法在大腦和四肢之間搭建一個(gè)新的指令傳輸通道。這些科學(xué)家通過(guò)“腦機(jī)接口”（Brain-Machine Interface或者Brain-Computer Interface）的方式在大腦和病人的手之間進(jìn)行了牽線搭橋。所謂腦機(jī)接口是指科學(xué)家首先使用特定的手段讀取人的意圖，然后將這種意圖用外部設(shè)備進(jìn)行分析和處理之后再回傳給人。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家讀取的是殘障人士希望“動(dòng)手”的想法，在把這些想法分析、處理并最終轉(zhuǎn)化成為動(dòng)作指令之后，這些動(dòng)作指令會(huì)被回傳到殘障人士的手上，“指揮”手的運(yùn)動(dòng)。

這并不是科學(xué)家第一次嘗試使用腦機(jī)接口來(lái)幫助殘障人士了，這一領(lǐng)域近年來(lái)一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。但這項(xiàng)新研究不僅有著它的獨(dú)到之處，而且還是科學(xué)家第一次使用腦機(jī)接口讓殘障人士在實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境下自主地完成日常活動(dòng)。

隨心所欲？

腦機(jī)接口讀取意圖的方法可以分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是植入式的，這種方法是通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)把能夠讀取大腦電活動(dòng)的電極植入到人腦里。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電極能夠精確的讀取大腦的電活動(dòng)，信噪比高。但這種方法也有一定的缺點(diǎn)，比如開(kāi)顱手術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)（腦出血、可能的感染等）?；谶@些原因，這種讀取方式比較適合那些四肢徹底癱瘓的殘障人士。而對(duì)于那些四肢并沒(méi)有完全癱瘓，肌肉尚有一定活動(dòng)能力的人來(lái)說(shuō)則需要權(quán)衡利弊了。另一種讀取意圖的方法是非植入式的。這種方法通過(guò)外置的設(shè)備，常常是腦電圖來(lái)讀取人的意圖。由于無(wú)需做開(kāi)顱手術(shù)，這種方法避免了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)則是信噪比比較低，這就導(dǎo)致人的意圖比較容易被系統(tǒng)“歪曲”，無(wú)法被忠實(shí)地執(zhí)行。除此之外，為了盡量精準(zhǔn)地讀取人的意圖，這種方法還需要在人的頭上涂抹導(dǎo)電膏，給人帶來(lái)不便。

在這項(xiàng)研究中科學(xué)家使用了非植入式的讀取方式，使用腦電圖來(lái)讀取人的意圖。他們給參與研究的殘障人士戴上了一頂電極帽，這個(gè)帽子接觸頭皮的一側(cè)上有多個(gè)電極，這些電極能夠?qū)崟r(shí)讀取大腦不同區(qū)域的腦電活動(dòng)。當(dāng)使用者希望自己的手做出某個(gè)動(dòng)作時(shí)，比如希望端起一杯水時(shí)，他唯一需要做的就是“想”，想象自己正在做這個(gè)動(dòng)作。這種運(yùn)動(dòng)想象會(huì)使大腦中的相關(guān)神經(jīng)元產(chǎn)生相應(yīng)的電活動(dòng)。在電極帽上的電極檢測(cè)到這些腦電信號(hào)之后，這些信號(hào)會(huì)通過(guò)無(wú)線傳輸傳到一個(gè)平板電腦上。平板電腦上的軟件會(huì)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理，提取出使用者的想法，并將其轉(zhuǎn)化成為運(yùn)動(dòng)指令?？茖W(xué)家同時(shí)還給腦電信號(hào)設(shè)置了一個(gè)“門(mén)檻”，只有當(dāng)信號(hào)高過(guò)這個(gè)“門(mén)檻”的時(shí)候，系統(tǒng)才會(huì)將這些意圖轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)指令。設(shè)置這樣一個(gè)“門(mén)檻”可以讓系統(tǒng)不至于誤讀使用者的意圖，把使用者的一個(gè)簡(jiǎn)單遐想也當(dāng)作想要?jiǎng)邮值囊鈭D。由于使用的是干電極，所以這種方式無(wú)需涂抹導(dǎo)電膏，省卻了種種不便和不適。

除了需要讀取使用者意圖的元件外，這個(gè)系統(tǒng)還需要一個(gè)指令執(zhí)行的元件。這個(gè)部分是一個(gè)外骨骼的機(jī)器手（hand exoskeleton）。這個(gè)機(jī)器手就像一個(gè)手套，供使用者戴在手上。機(jī)器手的各個(gè)部位通過(guò)導(dǎo)線與機(jī)器手的控制盒相連，而后者則從平板電腦那里接收運(yùn)動(dòng)指令。在接收到指令之后，機(jī)器手會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作，“手把手”地讓使用者端起一杯水或是將一勺食物喂進(jìn)自己的嘴里。

從理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)能夠讀取使用者的意圖（甚至還設(shè)置了防止誤讀的“門(mén)檻”），將其轉(zhuǎn)化成指令，并最終由機(jī)器手來(lái)執(zhí)行，讓機(jī)器手“手把手”地幫助殘障人士隨心所欲地完成日?；顒?dòng)。

獨(dú)立的開(kāi)關(guān)

然而情況并不像想象的這么簡(jiǎn)單。干電極避免了涂抹導(dǎo)電膏帶來(lái)的不便，但卻是以做出犧牲為代價(jià)的：干電極很容易受到外界噪音的影響。加之非植入式的讀取方式本身就不如植入式精準(zhǔn)，所以如果單單只用這一個(gè)手段來(lái)讀取使用者的意圖從而控制機(jī)器手的開(kāi)合的話，系統(tǒng)仍然會(huì)不時(shí)出現(xiàn)誤讀，從而使本該握緊的手突然松開(kāi)或者本該松開(kāi)的手處于牢牢握緊的狀態(tài)。雖然這種方法90%的準(zhǔn)確性看起來(lái)已經(jīng)很高了，但是誰(shuí)也不希望每端起十個(gè)水杯中就有一個(gè)因?yàn)槭植宦?tīng)使喚地松開(kāi)而摔到地上被打碎。

為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家給這個(gè)系統(tǒng)加上了另一個(gè)開(kāi)關(guān)。這個(gè)開(kāi)關(guān)是使用者的眼電圖。在有了兩個(gè)開(kāi)關(guān)的情況下，科學(xué)家就可以把使用者的腦電圖用作控制機(jī)器手握緊的開(kāi)關(guān)，而使用者的眼電圖則被用作控制機(jī)器手松開(kāi)的開(kāi)關(guān)。

當(dāng)人的眼球發(fā)生水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛的視點(diǎn)偏離正前方的時(shí)候，人的內(nèi)外眼角間會(huì)產(chǎn)生電位差（也就是兩者間存在凈的電荷差），電位差的大小與眼球偏離正前方的幅度有關(guān)，偏離得越遠(yuǎn)，這種電位差就越大。使用放置在眼角內(nèi)外側(cè)的電極，科學(xué)家能時(shí)時(shí)刻刻記錄這種眼電圖的變化情況。他們同樣也設(shè)置了一個(gè)眼電圖電位差的“門(mén)檻”。當(dāng)機(jī)器手處于緊握狀態(tài)的時(shí)候，如果使用者希望松手的話，只需要眼睛向外側(cè)看，讓眼球旋轉(zhuǎn)偏離正前方到一定的程度，超過(guò)預(yù)先設(shè)置的“門(mén)檻”就行了，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)命令機(jī)器手松開(kāi)。由于這個(gè)“門(mén)檻”設(shè)得很高，也就是說(shuō)眼球需要偏離正前方很大的幅度才能超過(guò)這個(gè)“門(mén)檻”，所以除非使用者自己刻意讓眼球偏離到超過(guò)這個(gè)“門(mén)檻”的程度，否則在日常的生活中，機(jī)器手是不會(huì)因?yàn)橐馔舛凰砷_(kāi)的。

由于有了腦電圖和眼電圖兩個(gè)開(kāi)關(guān)，所以兩者可以各司其職，避免了只有一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)使用者的意圖容易被誤讀的情況。比如當(dāng)腦電圖讀取到使用者希望端起一個(gè)杯子的時(shí)候，在系統(tǒng)發(fā)出指令之后手就會(huì)握緊杯子，這時(shí)使用者就無(wú)需再始終想著“握緊杯子”這個(gè)動(dòng)作了，因?yàn)檫@時(shí)機(jī)器手會(huì)被系統(tǒng)鎖定，始終處于緊握的狀態(tài)。當(dāng)使用者希望放下杯子并松手的時(shí)候，他只需要轉(zhuǎn)動(dòng)眼球超過(guò)“門(mén)檻”就行了，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)讓機(jī)器手松開(kāi)。

由于整個(gè)系統(tǒng)都很輕便，體積也不大，并且可以用電池供電，所以這個(gè)系統(tǒng)能夠很容易地放在殘障人士的輪椅上，在外出的時(shí)候使用。

成就和挑戰(zhàn)

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家招募了六名四肢癱瘓（程度各不相同）的殘障人士對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。這些殘障人士并沒(méi)有四肢完全癱瘓，肩部和手臂的部分區(qū)域還有一定程度的活動(dòng)能力，但是總的來(lái)說(shuō)自主的活動(dòng)能力已經(jīng)大大受損，在沒(méi)有人幫助的情況下已經(jīng)無(wú)法完成進(jìn)食、喝水等最基本的日常活動(dòng)了。

當(dāng)?shù)谝淮问褂眠@個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，科學(xué)家需要根據(jù)使用者的情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)試（比如設(shè)置眼電圖的“門(mén)檻”），使用者也需要一點(diǎn)時(shí)間來(lái)適應(yīng)。但所有這些需要的時(shí)間非常短，只要大約十分鐘就足夠了。在此之后，這些原本幾乎事事都需要人幫助的殘障人士立刻就能完成很多日常的活動(dòng)：在餐館里，測(cè)試者無(wú)需任何幫助就能使用餐叉進(jìn)餐；能夠拿起一瓶礦泉水，倒一些水到一個(gè)杯子里，放下礦泉水瓶，端起水杯喝上一口。除了這些相對(duì)“簡(jiǎn)單”的活動(dòng)以外，測(cè)試者甚至還能完成一些更為復(fù)雜和精細(xì)的活動(dòng)，比如拿起一支筆在紙上簽下自己的名字；拿起一張信用卡交給店員進(jìn)行刷卡消費(fèi)，或者拿起一個(gè)對(duì)殘障人士來(lái)說(shuō)頗有難度的小球或者骰子等等。

這樣的改變毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)極大地改善殘障人士的生活質(zhì)量。在接受媒體采訪時(shí)，這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者、德國(guó)圖賓根大學(xué)的Surjo R. Soekadar博士使用了“驚嘆”這個(gè)詞來(lái)描述參與測(cè)試的殘障人士對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)。盡管如此，這個(gè)系統(tǒng)仍然還有很多地方需要完善。一方面目前這個(gè)系統(tǒng)主要的功能是幫助使用者握緊以及松開(kāi)手，還無(wú)法完成一些過(guò)于精細(xì)的動(dòng)作；另一方面機(jī)器手本身的重量，以及有限的關(guān)節(jié)數(shù)量很大程度上對(duì)使用者手的靈活運(yùn)用產(chǎn)生了限制；另外目前這個(gè)系統(tǒng)還無(wú)法根據(jù)被握物體的特征來(lái)調(diào)整施加的握力的大小，這一點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)生活中可能會(huì)帶來(lái)極大的不便。Soekadar和他的團(tuán)隊(duì)目前正在嘗試讓這個(gè)系統(tǒng)變得更加智能化，比如通過(guò)智能手機(jī)等設(shè)備將使用者所處的環(huán)境信息（比如是在餐館、銀行還是商場(chǎng)）導(dǎo)入到系統(tǒng)中，以此使系統(tǒng)能夠根據(jù)所處的環(huán)境更加智能化地執(zhí)行任務(wù)。對(duì)于這一系統(tǒng)未來(lái)的前景，Soekadar可謂信心滿滿，他希望在未來(lái)兩年內(nèi)把這個(gè)系統(tǒng)推向市場(chǎng)，根據(jù)功能不同，他預(yù)計(jì)每個(gè)系統(tǒng)的售價(jià)會(huì)在5,000到10,000歐元之間。