猶他大學研發高科技假肢：意識控制有觸覺，輕鬆摘葡萄

新聞 07-26

裝好高科技假肢後，Keven Walgamott 想做的第一件事，是自己動手帶上結婚戒指，在此之前，他自己一隻手很難做到。

Keven Walgamott 家住美國猶他州西谷市。17 年前，他在一次電氣事故中失去了左手和部分手臂。從此，一些正常人輕鬆完成的事情，對 Keven Walgamott 來說可能就是一項艱巨的任務。

2017 年，Walgamott 參加了一項猶他大學（University of Utah）生物醫學工程團隊進行的高科技假肢原型測試，包括他在內，共有 7 名受試者。這款高科技假肢的手指不僅可以跟隨大腦意識靈活移動，更重要的是，它還能夠在觸摸物體時產生靈敏的觸覺。

「這幾乎讓我流淚，這真的很神奇。我從來沒有想過我能再次感受到那隻手。」Walgamott 談到第一次在臨床測試中使用這款機械手臂時說。

而據猶他大學生物醫學工程副教授 Gregory Clark 介紹，「感人的是，他（Walgamott）想做的第一件事，是為自己帶上結婚戒指，畢竟在此之前自己一隻手很難做到。」

研究人員還為這款高科技假肢取了一個很有情懷的名字——盧克臂（LUKE Arm），「盧克」一詞取自《星球大戰-帝國反擊戰》中的盧克·天行者（Luke Skywalker）。

圖 | Gregory Clark 和盧克臂（來源：University of Utah）

有關盧克臂的詳細內容和測試數據，於 2019 年 7 月 25 日發表在最新一期的《科學機器人》（Science Robotics）雜誌上。

有感覺的假肢

盧克臂硬體主體由金屬發動機和透明硅「皮膚」組成，通過外部電池供電，並與電腦相連。它是由總部位於新罕布希爾州的Deka Research and Development 公司歷時 15 年開發。

盧克臂的信號系統由 Gregory Clark 所領導的猶他大學研究小組開發，該系統允許假肢手臂接入佩戴者的神經系統，實現大腦向機械手臂發送動作信號。

在該系統中，主要使用了猶他大學生物醫學工程榮譽傑出教授 Richard A. Normann 的一項重要發明——猶他斜電極陣列（Utah Slanted Electrode Array）。陣列是由 100 個微電極和導線組成，它們被植入截肢者前臂的神經，並與身體外部的電腦相連。陣列解析來自手臂中的神經信號，通過計算機將它們轉換成數字信號，然後指揮機械手臂的移動。

在這項最新成果中，除了實現大腦信號對機械手臂的控制，反過來還要實現大腦對機械手臂的觸覺感知，因為要完成像撿東西這樣的簡單任務，需要的不僅僅是大腦告訴手臂如何移動，機械手臂還要學會「感受」物體，以便讓大腦知道施加多大的力。

視頻 | 盧克臂（來源：University of Utah）

為了實現這一點，研究人員在機械手臂上安裝了能夠通過陣列向神經發送信號的感測器，以模仿手抓東西時的感覺。這其中的關鍵是，如何向手臂神經發送這些數字信號，尤其是涉及到當剛剛接觸這些物品時，大腦如何處理轉化接受到的信息。

在正常人的觸摸過程中，當剛剛接觸物體的那一刻，會有一股神經脈衝信號沿著神經傳入大腦，然後逐漸減弱，而機械手臂就是要模擬這一過程。

「僅僅提供感覺是一件大事，但你傳遞信息的方式也至關重要，如果你讓它在生物學上更真實，大腦就會更好地理解它，這種感覺的表現也會更好。」Clark說。

為此，研究團隊通過一系列複雜的數學計算和靈長類動物手臂上的神經脈衝信號記錄，創建了一個近似模型，以模擬人類如何接受和處理這些不同的信號模式。最終將該模型實現到盧克臂中。

完全的自由

盧克臂可以模仿人類手指觸摸和感受物體的方式，向大腦發送觸覺信號。這樣就意味著，與傳統假肢中使用沒有觸覺感受的金屬鉤子或抓手不同，佩戴盧克臂的患者可以像正常人一樣對軟的或硬的物體產生觸覺，從而能夠執行一些精細的任務，比如拿起一顆雞蛋或摘下一顆葡萄，而不至於用力過度捏碎物品；再比如與自己的愛人浪漫地十指相扣，而不至於夾疼對方。