智能假肢：助截肢人群恢復觸覺

把腳放平，這個對于健康人來說看似簡單的動作，對于佩戴固定假肢的截肢患者來說，卻具有很大難度。如今，隨著人機交互、仿生智能等技術不斷發展，智能輔具正為殘障人士的生活帶來巨大改變，呈現出廣闊市場空間。

美國國防高級研究計劃局為方便戰場負傷士兵的日常生活，十多年前即著手研發號稱“盧克之手”的仿生假肢，目前已獲美國食品藥品管理局批準。英國的i-Limb機械手也已進入商用。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？

傳統假肢吃力費勁

已知的最古老假肢出現在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世紀才出現功能性的機械肢體。法國戰地醫生安布魯瓦茲·帕里發明了有著靈活手指的假手，利用鉤子和彈簧操作。他還制造了一只機械膝，使用者可以借其站定在某個位置。

對于肢體殘缺的患者來說，假肢不僅能填補外形上的空缺，還能在一定程度上恢復一些活動。假肢技術在過去幾十年里的最大變化，無非是表面用塑料或硅膠代替了皮革，內部的基本構造依舊是一堆機械部件，由彈簧或馬達驅動，由操縱桿、液壓或者氣壓裝置控制。這些簡單機械構造的假肢操控起來很復雜，比如殘障人士要想完成伸出假肢手臂這么一個簡單的動作，就必須先用下巴壓住操縱桿，再加上一個類似于拋擲的動作才能把手臂甩出去。

傳統假肢的手掌和手指，不僅抓握物品相當費勁，力度也不好控制，拿捏不好的話，可以輕易捏爆一個雞蛋。上下樓梯則更費勁了，傳統假肢需要靠肌肉來帶動，并且由于不能彎曲，走有坡度的路時非常吃力。

此前，科學家的研發重心在于假肢的靈活度和佩戴舒適度，屬于單向大腦信號的傳導，少有人關注假肢本身帶來的觸覺等一系列反饋。也就是說，就算裝上假肢，也要依靠眼睛來判斷物體方位、辨別物體的形狀和軟硬度等。美國密歇根大學教授丹尼爾·費里斯說，多數假肢“基本上是漂亮的木制腿”。

“意念”控制應運而生

人是如何操控原生肢體的？科學家發現，人通過神經元控制身體各組織器官，會產生生物電信號，這種信號中載有人的行為信息，能直接反映人的意圖。科學家通過解碼人體生物電信號，試圖識別人的“意念”，進而讓機器按人的想法工作——這方面研究已成為人機交互研究的熱點之一。目前來說，廣泛關注的生物電信號包括肌電、腦電以及眼電等。

研究發現，大多數截肢者都存在一種幻覺，認為因截肢而失去的肢體依然存在，這被稱為“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。當截肢者通過想象，用他們的幻肢做某一動作時，大腦產生的運動神經信號使得殘存的肌肉收縮，產生肌電信號。

由于表面肌電信號蘊含信息豐富，采集技術相對成熟，并且是無創采集，因而受到眾多研究者青睞。據了解，表面肌電信號是一種非平穩的微電信號，它一般在肢體運動前30毫秒至150毫秒產生。

中科院自動化研究所復雜系統管理與控制國家重點實驗室副研究員王衛群解讀了識別肌電信號控制假肢的原理：通過貼在肌肉表面的電極片感受肌肉收縮時產生的電信號，進而通過電信號強弱與假肢關節運動量的對應關系來控制假肢連續運動，或者當電信號超過一定閾值時產生關節動作。王衛群說，通過肌電信號控制智能假肢存在的問題在于肌電信號非常微弱且不穩定，如容易受脂肪厚度、出汗、溫度、毛發等因素影響。

另外，對于殘障人士來說，“意念”控制假肢并不僅僅是安裝即用，還要進行較長時間的訓練。王衛群說，訓練的過程即是建立肌電信號與假肢關節運動的對應關系。“這可以通過建立數學物理模型等方式來實現，但是由于肌電信號及模型的復雜性，需要采集足夠的數據樣本來訓練模型，才能實現肌電信號對假肢的在線控制，因此訓練時間較長。”

靈活性仍難以實現

哈爾濱工業大學機器人研究所教授姜力指出，面向殘疾人應用的假肢手需要在人體神經信號的控制下工作，因此必須考慮假肢結構與生機接口的性能匹配和功能集成問題。

目前，由于人體運動的神經信息編碼不明，現有的大多數生機接口只能輸出較少的離散運動模式，特別是對于有效肌肉群少且肌電信號弱的肢殘患者來說，難以直接控制具有多主動自由度的靈巧操作結構。同時，與機器人靈巧手相比，假肢手的外形、尺寸和重量還有更加苛刻的要求。因此，如何在生機接口性能約束下以較少的主動自由度再現人手的靈巧運動特性，是智能假肢結構設計需要解決的問題。

王衛群也表示，目前市場上能看到的智能假肢產品還是以單關節為主，與人類肢體的自然運動還有較大差距。“如果要實現更多自由度、更接近人體仿生學的關節控制，還有很遠的路要走。”（據南方日報、廣州日報）endprint