癱瘓少年變身“鋼鐵俠”

白楊

2014年巴西世界杯開幕式上負(fù)責(zé)開球的不是著名足球明星，而是一位癱瘓的巴西少年。在開幕式上，當(dāng)看到這名癱瘓少年從容不迫地從輪椅上站起來大腳開球時，在場的人無不瞠目結(jié)舌，而他身上的“行頭”也引起了所有人的關(guān)注。這里面到底有什么玄機(jī)呢？原來他是借助先進(jìn)的機(jī)械外骨骼裝置，通過大腦意念的控制從輪椅上站起來大腳開球的。這也是科技史上首個實(shí)現(xiàn)機(jī)械外骨骼裝置受癱瘓患者大腦活動控制的案例。

外骨骼裝置的原理

這套裝置通過患者大腦意識活動產(chǎn)生的信號進(jìn)行控制，大腦活動信號由放置在患者大腦皮層上的電極探測到。信號被無線傳輸至使用者攜帶的計算機(jī)系統(tǒng)上，再轉(zhuǎn)換成機(jī)械動作。傳感器連接機(jī)械外骨骼機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⒂|覺、溫度和力量信息反饋至使用者，相關(guān)的信息可反饋在視頻顯示器或者振動電機(jī)上。

要想讀取大腦中的指令，需要把電極直接植入癱瘓患者的大腦中。在放置電極時，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內(nèi)，而且要使電極能同時探測大腦皮層上的更多神經(jīng)元。運(yùn)動皮層是大腦內(nèi)負(fù)責(zé)產(chǎn)生運(yùn)動指令的區(qū)域，它發(fā)出的指令通常會傳遞到脊髓，控制和協(xié)調(diào)肌肉活動，因此很多電極都會被植入運(yùn)動皮層。一些神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，通過腦電圖等無創(chuàng)手段來記錄大腦活動，可以反映出意識和肌肉之間的對應(yīng)關(guān)系，但目前這個想法還沒有實(shí)現(xiàn)。

要處理來自傳感器的海量數(shù)據(jù)，還要為癱瘓患者專門研制出新一代神經(jīng)芯片。這些芯片與微電極一同植入患者大腦后，它們就可以提取出控制全身外骨骼所需要的初始運(yùn)動指令。在數(shù)字指令的驅(qū)動下，穿著外骨骼的患者會逐漸邁開步子，調(diào)節(jié)自身行進(jìn)的速度，甚至可以屈膝、彎腰、爬樓梯。外骨骼的機(jī)電回路可以直接調(diào)整假肢的位置，不需要神經(jīng)信號的參與。

外骨骼設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域

美國國防部投資五千萬美元為地面部隊開發(fā)外骨骼套裝，這種可穿戴的機(jī)器人系統(tǒng)能夠使士兵跑得更快、攜帶更重的武器以及跳過較大的障礙物。外骨骼系統(tǒng)能夠提高士兵的力量和速度，而且還能通過內(nèi)置的計算機(jī)輔助士兵在國外領(lǐng)土行軍。此外，美國宇航局的工程師們已經(jīng)開發(fā)出了一種機(jī)器人外骨骼，可以在太空和地球兩種環(huán)境里使用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種機(jī)械外骨骼的成本也會逐漸降低，進(jìn)入普通人的生活當(dāng)中，成為取代輪椅的新型裝備。

熟練使用外骨骼還需要訓(xùn)練

這種類似太空服的機(jī)械外套，不僅穿起來舒適靈活，還能支撐起穿著者的身體，起到脊柱的作用。球員的身體一旦與外骨骼發(fā)生作用，大腦便會把這個機(jī)械外套當(dāng)作球員身體的一部分。在訓(xùn)練時，球員通過與地面的連續(xù)接觸，感知機(jī)械腿的位置，積累感覺經(jīng)驗(yàn)，這樣才能夠在球場或人行道上熟練地邁開步子。

利用意念進(jìn)行控制的其他案例

2012 年，中國浙江大學(xué)研究人員開發(fā)出了一項(xiàng)用腦波來控制直升飛機(jī)的技術(shù)。研究人員稱，帶上頭盔后，他們可以通過想“用力左轉(zhuǎn)”來使飛機(jī)啟動或著陸，通過想 “左”使直升機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，想“右”使飛機(jī)前進(jìn)，想“推”使飛機(jī)抬升。今年年初，美國科研人員利用一只猴子的思想成功遠(yuǎn)程操控了另一只猴子的肢體動作，這是首次在猴子身上實(shí)現(xiàn)了異體操控。

人腦與電腦之間的交互成功無疑是科學(xué)技術(shù)的一大突破，未來人與機(jī)器之間的界限將變得日益模糊。endprint