大脑控制假肢技术并不虚幻

美国四所大学的工程研究员正在开展一个为期四年的项目，开发新一代的假肢，它不但能够通过截肢者的大脑直接控制，而且还可以使截肢者获得感知信息。虽然这听起来像是科幻小说里的内容，但是研究人员称大部分技术已经在小范围的实验中得到了验证。美国国家科学基金会人机交互技术项目拨款120万美元资助莱斯大学、密歇根大学、德雷塞尔大学以及马里兰大学开展这项研究。
 　　“这个项目并不虚幻，” 莱斯大学副研究员Marcia O'Malley说，“该项目的研究员已经证实大部分工作是可以实现的，剩下的工作就是把所有的东西─无创神经解码、直接脑部控制以及触觉反馈──全部整合在一套装置中。”
　　O'Malley与这个项目的其他研究员——密歇根大学的Brent Gillespie、德雷塞尔大学的Patricia Shewokis以及马里兰大学的José Contreras-Vidal 之前已经验证了该技术能够使截肢者利用假手准确地感知和操纵物体，原理是截肢者剩余的肢体可以自然地接受感知反馈。“神经假肢的控制是这个项目的重要内容，还有一个同样重要的挑战就是为假肢执行的接触任务提供感知返回。”
　　该小组将利用一项技术，把人造手指尖收集的触觉信息和假手的抓握力度信息反馈给使用者。这些信息是通过机器人外骨骼和触控板来震动、拉伸或挤压假肢与使用者身体连结部位的皮肤收集得到的。“这个原理就是提供使用者能够整合的一系列的感知反馈，这与健全人通过皮肤和肌肉的神经整合各种触觉、动觉、强度信息的情况非常相似，”Contreras-Vidal说。
　　Contreras-Vidal此前也研发过一种技术，可让测试者仅通过思绪来移动电脑屏幕上的光标。该技术可以无创性地利用使用者的神经网络。使用者头戴一顶内嵌电极的帽子，这顶帽子能通过脑电图（EEG）读取头皮上的电活动。该小组计划把使用者的脑电波信息与大脑前额叶测得的血氧浓度等即时信息进行整合。使用者大脑前额叶的血氧浓度的测量采用了功能性近红外线（fNIR）技术，该技术是由德雷赛尔大学的脑成像实验室开发的。
　　Shewokis指出：“我们希望提供接触任务的直观控制功能，而且对加强患者的运动想象这个问题很感兴趣。患者在思考如何让手臂做运动的时候会进行运动想象。在理想状况下，我们开发的触觉或触感反馈技术可以提高EEG和fNIR解码水平，让病患更容易地利用假肢手臂准确地做他们想要做的事情。我们正在努力，使假肢的使用和控制能够采用‘大脑回路’。”
　　O'Malley指出，新研发的技术对于现有的假肢装置来说，是一个巨大的飞跃。因为现有的假肢装备无法让使用者感觉到他们所触摸的对象。目前市面上一些先进的假肢使用了可以震动的力度反馈系统，这种系统类似于手机的震动模式，只能提供假手抓取物体的有限信息。 “一般来说，震动触觉提示的作用并不大，”O'Malley表示，“在很多情况下，人们仅会依赖视觉反馈，也就是通过观察他们的假肢抓握的物体，来推断该物体的软硬程度和抓握的力度等。因此，这类技术还有很多改善的空间。”
　　“这个与众不同的小组得到了解决脑机接口这个巨大挑战的机会，”Gillespie说，“我对目前的重大突破以及未来的美好前景感到非常高兴。我们特别重视解决脑/身体连接问题，希望找到以新方式解决控制身体的方法。感知反馈特别是触感反馈经常被人们忽视，但是我们认为这是解决大脑和运动假肢回路问题的关键，”他说，“这些结果表明，我们很有希望造福截肢者和其他行动不便的人。”