把腳放平，這個(gè)對(duì)于健康人來(lái)說(shuō)看似簡(jiǎn)單的動(dòng)作，對(duì)于佩戴固定假肢的截肢患者來(lái)說(shuō)，卻具有很大難度。如今，隨著人機(jī)交互、仿生智能等技術(shù)不斷發(fā)展，智能輔具正為殘障人士的生活帶來(lái)巨大改變，呈現(xiàn)出廣闊市場(chǎng)空間。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局為方便戰(zhàn)場(chǎng)負(fù)傷士兵的日常生活，十多年前即著手研發(fā)號(hào)稱(chēng)“盧克之手”的仿生假肢，目前已獲美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)。英國(guó)的i-Limb機(jī)械手也已進(jìn)入商用。那么，人如何用“意念”控制假肢？它們和原生肢體還有多大差距？

傳統(tǒng)假肢吃力費(fèi)勁

已知的最古老假肢出現(xiàn)在3000年前的古埃及。那是一根附著皮革的木雕腳趾，剛好可以用皮革套在腳上。

直到16世紀(jì)才出現(xiàn)功能性的機(jī)械肢體。法國(guó)戰(zhàn)地醫(yī)生安布魯瓦茲·帕里發(fā)明了有著靈活手指的假手，利用鉤子和彈簧操作。他還制造了一只機(jī)械膝，使用者可以借其站定在某個(gè)位置。

對(duì)于肢體殘缺的患者來(lái)說(shuō)，假肢不僅能填補(bǔ)外形上的空缺，還能在一定程度上恢復(fù)一些活動(dòng)。假肢技術(shù)在過(guò)去幾十年里的最大變化，無(wú)非是表面用塑料或硅膠代替了皮革，內(nèi)部的基本構(gòu)造依舊是一堆機(jī)械部件，由彈簧或馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由操縱桿、液壓或者氣壓裝置控制。這些簡(jiǎn)單機(jī)械構(gòu)造的假肢操控起來(lái)很復(fù)雜，比如殘障人士要想完成伸出假肢手臂這么一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，就必須先用下巴壓住操縱桿，再加上一個(gè)類(lèi)似于拋擲的動(dòng)作才能把手臂甩出去。

傳統(tǒng)假肢的手掌和手指，不僅抓握物品相當(dāng)費(fèi)勁，力度也不好控制，拿捏不好的話(huà)，可以輕易捏爆一個(gè)雞蛋。上下樓梯則更費(fèi)勁了，傳統(tǒng)假肢需要靠肌肉來(lái)帶動(dòng)，并且由于不能彎曲，走有坡度的路時(shí)非常吃力。

此前，科學(xué)家的研發(fā)重心在于假肢的靈活度和佩戴舒適度，屬于單向大腦信號(hào)的傳導(dǎo)，少有人關(guān)注假肢本身帶來(lái)的觸覺(jué)等一系列反饋。也就是說(shuō)，就算裝上假肢，也要依靠眼睛來(lái)判斷物體方位、辨別物體的形狀和軟硬度等。美國(guó)密歇根大學(xué)教授丹尼爾·費(fèi)里斯說(shuō)，多數(shù)假肢“基本上是漂亮的木制腿”。

“意念”控制應(yīng)運(yùn)而生

人是如何操控原生肢體的？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人通過(guò)神經(jīng)元控制身體各組織器官，會(huì)產(chǎn)生生物電信號(hào)，這種信號(hào)中載有人的行為信息，能直接反映人的意圖?？茖W(xué)家通過(guò)解碼人體生物電信號(hào)，試圖識(shí)別人的“意念”，進(jìn)而讓機(jī)器按人的想法工作——這方面研究已成為人機(jī)交互研究的熱點(diǎn)之一。目前來(lái)說(shuō)，廣泛關(guān)注的生物電信號(hào)包括肌電、腦電以及眼電等。

研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)截肢者都存在一種幻覺(jué)，認(rèn)為因截肢而失去的肢體依然存在，這被稱(chēng)為“幻肢感”。比如，他們可以想象失去的肢體還可以拿取物品，甚至感受到疼痛等。當(dāng)截肢者通過(guò)想象，用他們的幻肢做某一動(dòng)作時(shí)，大腦產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)使得殘存的肌肉收縮，產(chǎn)生肌電信號(hào)。

由于表面肌電信號(hào)蘊(yùn)含信息豐富，采集技術(shù)相對(duì)成熟，并且是無(wú)創(chuàng)采集，因而受到眾多研究者青睞。據(jù)了解，表面肌電信號(hào)是一種非平穩(wěn)的微電信號(hào)，它一般在肢體運(yùn)動(dòng)前30毫秒至150毫秒產(chǎn)生。

中科院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員王衛(wèi)群解讀了識(shí)別肌電信號(hào)控制假肢的原理：通過(guò)貼在肌肉表面的電極片感受肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)電信號(hào)強(qiáng)弱與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)控制假肢連續(xù)運(yùn)動(dòng)，或者當(dāng)電信號(hào)超過(guò)一定閾值時(shí)產(chǎn)生關(guān)節(jié)動(dòng)作。王衛(wèi)群說(shuō)，通過(guò)肌電信號(hào)控制智能假肢存在的問(wèn)題在于肌電信號(hào)非常微弱且不穩(wěn)定，如容易受脂肪厚度、出汗、溫度、毛發(fā)等因素影響。

另外，對(duì)于殘障人士來(lái)說(shuō)，“意念”控制假肢并不僅僅是安裝即用，還要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練。王衛(wèi)群說(shuō)，訓(xùn)練的過(guò)程即是建立肌電信號(hào)與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?！斑@可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)物理模型等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于肌電信號(hào)及模型的復(fù)雜性，需要采集足夠的數(shù)據(jù)樣本來(lái)訓(xùn)練模型，才能實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)對(duì)假肢的在線(xiàn)控制，因此訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)?！?/p>

靈活性仍難以實(shí)現(xiàn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所教授姜力指出，面向殘疾人應(yīng)用的假肢手需要在人體神經(jīng)信號(hào)的控制下工作，因此必須考慮假肢結(jié)構(gòu)與生機(jī)接口的性能匹配和功能集成問(wèn)題。

目前，由于人體運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信息編碼不明，現(xiàn)有的大多數(shù)生機(jī)接口只能輸出較少的離散運(yùn)動(dòng)模式，特別是對(duì)于有效肌肉群少且肌電信號(hào)弱的肢殘患者來(lái)說(shuō)，難以直接控制具有多主動(dòng)自由度的靈巧操作結(jié)構(gòu)。同時(shí)，與機(jī)器人靈巧手相比，假肢手的外形、尺寸和重量還有更加苛刻的要求。因此，如何在生機(jī)接口性能約束下以較少的主動(dòng)自由度再現(xiàn)人手的靈巧運(yùn)動(dòng)特性，是智能假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題。

王衛(wèi)群也表示，目前市場(chǎng)上能看到的智能假肢產(chǎn)品還是以單關(guān)節(jié)為主，與人類(lèi)肢體的自然運(yùn)動(dòng)還有較大差距?！叭绻獙?shí)現(xiàn)更多自由度、更接近人體仿生學(xué)的關(guān)節(jié)控制，還有很遠(yuǎn)的路要走?！保〒?jù)南方日?qǐng)?bào)、廣州日?qǐng)?bào)）endprint