盤點頂尖智能假肢：電動足踝像真腿一樣彈起 _假肢

重獲新肢：以尖端科技制成的機械手臂由20個微型馬達驅動，空前精確地模擬出活生生肢體的動作，使用者通過神經沖動來控制它。手臂中甚至裝入了記錄觸覺的傳感器。隨心而發：阿曼達?基茨的殘肢經外科手術重新接駁神經后，肌肉仍可產生運動，并被傳感器陣列記錄下來。下一代的義肢能聽命于轉接的肌肉信號，行動越來越接近天生的血肉肢體。新目初開：眼皮在麻醉狀態下被拉開，79歲高齡的喬? 安? 路易斯眼球內部及四周植入了新的硬件，它們與一臺計算機協同運作，把影像傳給她的大腦。電子裝置繞過損毀的感光細胞，讓這位來自得克薩斯的盲人眼中找回了些許光明——閃爍不定的線條，模糊的形狀，色暈的團塊。“我沒法像你們那樣看清東西，”她說， “這種技術還只是剛剛起步。”關鍵詞釋義：生物電子學，研究以機械系統行使活的生命體或生命體部分器官之功能的學科。在美國田納西州諾斯維爾市附近的“少兒屋學習中心”，阿曼達? 基茨一走進教室就被四五歲的小孩們圍住了。“哎，我的寶貝兒們今天怎么樣呀？”她說著，拍拍這個的肩膀，撫撫那個的頭發。阿曼達是位苗條而有活力的女性，經營這家以及另外兩家托兒所已差不多有20年了。她蹲下身跟一個小女孩說話，把雙手擱在膝蓋上。“機器胳膊！”幾個孩子叫道。“你們還記得這個哈。”阿曼達一邊說，一邊把左臂伸出來。她翻開手掌向上，伴著一陣輕微的嗡嗡聲，不留心是聽不出來的。她把肘部屈起，又是一陣嗡嗡聲。“讓它干點兒傻傻的事吧！”一個女孩說。“傻傻的？記得我怎么跟你們握手嗎？”阿曼達說著，伸開手臂，轉動手腕。一個男孩猶疑地伸出手去，碰了碰她的手指。他觸到的是肉色的塑料，指端微向內屈。表皮下是三個馬達，一具金屬框架，和一套尖端電子系統。這裝備的頂端是一個白色的塑料罩，接在阿曼達的肱二頭肌中段，套住一截殘肢——她在2006年一場車禍中失去的左臂差不多就只剩下這點兒了。差不多，但不是僅此而已。她的大腦中，在意識層面之下，還存有那條手臂的完好圖像，如同幽靈。當阿曼達想著彎曲肘部的時候，這條幽靈手臂就動了。神經沖動從她的大腦中急速傳出，被白塑料罩中的電極傳感器接收并轉換成讓馬達發動的信號，于是機器臂的肘部屈起來了。“其實我不用想著它。我就直接讓它動。”40歲的阿曼達說。她使用的義肢除了這個標準型的之外，還有一個更具實驗性、可控性更強的。“出車禍之后我失魂落魄，不明白上帝為什么對我這么狠。可這些天我總是興高采烈的，因為他們在不斷改良這只手臂。總有一天我能用它來感知東西，或是在孩子們唱歌我擊掌的時候找準拍子。”即便筋肉骨骼損毀或喪失，曾經控制著它們的大腦區域及神經也會繼續存活，阿曼達就是活生生的例子。對許多傷殘者而言，與斷肢對應的腦區和神經都在靜候聯絡，如同話機被扯掉的電話線。醫生們已開始利用神乎其技的外科手術，為患者把這些人體構造與照相機、話筒、馬達之類的裝置連接起來。于是，盲人能視，聾人能聽，而阿曼達能雙手操持家務了。阿曼達? 基茨是“明日人類”中的一員。這個人群的軀體部分缺失或損毀，以嵌入神經系統、聽從大腦指令的裝置來替代。他們使用的這些機器被稱作神經義肢，或者——科學家們越來越喜歡用這個大眾流行的詞語——生物電子裝置。埃里克? 施倫普自1992年在一次跳水中摔斷脖子后始終四肢癱瘓，現在能靠植入皮下的一部電子裝置來挪動手指，握住餐叉了。喬? 安? 路易斯是一位女盲人，卻能在一架與視覺神經溝通的微型相機的幫助下，看到樹木的輪廓。還有一歲半的艾登? 肯尼，現在能聽媽媽說話并應答，因為這個生來失聰的男孩耳朵里有22個電極，它們把話筒采集到的聲音轉化成了聽覺神經可以讀懂的信號。這是一項細致入微的工作，需要經歷一系列試驗并且失誤百出。雖說科學家們了解把機器與思想相連的可能性，但他們也懂得保持這種連接有多么困難。舉例來說，如果阿曼達斷臂上的塑料罩移了位，哪怕只是一點點，也有可能令她合不攏手指。盡管如此，生物電子裝置仍代表著科技的一大飛躍，研究人員如今能讓殘疾者找回的身體機能，是他們過去想都不敢想的。“這項工作的核心即在于此：修復。”美國神經疾病與中風研究所的神經工程主任約瑟夫? 潘克拉齊奧說，“一個有脊柱損傷的患者能去餐廳吃飯，不用人喂，而旁人也看不出異樣，這就是我對成功的定義。”在芝加哥康復中心(RIC)的羅伯特? 利普舒爾茨的辦公室里，人類嘗試修復軀體的歷史以人造假手、假腿和假腳的形式展現在一座座架子上。“假臂的基本技術在過去100年里都沒怎么變， ”他說，“材料不一樣了，我們無非是用塑料取代了皮革，但基本構造不變：一堆鉤子和鉸鏈，用繩纜或馬達來驅動，用杠桿來控制。好多缺胳膊少腿從伊拉克回來的人都領到了這樣的家伙。喏，戴上試試。” 利普舒爾茨從架子里拽下一只塑料殼給我。原來是一只左肩臂的義肢。肩膀那部分就是一塊胸甲，用縛帶固定在胸前；手臂在肩部和肘部以鉸鏈連接，末端是一把金屬鉗。要伸出手臂，就得向左扭過頭來，用下巴壓住一根操縱桿，再加上一點拋擲動作把手甩出去。還真是說多別扭就有多別扭。而且死沉。20分鐘之后，脖子就因為古怪的姿勢和費力的壓桿動作而疼痛起來。很多截肢者最后都對這種假臂敬而遠之。“有時我很不情愿拿這種東西給患者， ” 利普舒爾茨說，“因為我們實在不知道它能不能幫得上忙。” 他和康復中心的其他同事認為，比較能派上用場的，還要數阿曼達? 基茨自愿試用的那種義肢——實施操控的是大腦，而不是正常情況下與伸手動作無關的身體部分。有種名為“靶向肌肉神經支配重構”的技術，利用截肢后殘存的神經來控制人工肢體，于2002年首次在一位患者身上試用。四年后，阿曼達出了車禍在醫院里臥床時，她丈夫湯米? 基茨從網上讀到了相關報道。事故發生時，一輛卡車撞爛了她的車，也擠碎了她肘部以下的左臂。“那時我惱怒、傷心，了無生趣。我就是接受不了。”她說。但湯米跟她說了芝加哥有人裝新型義肢的事，帶來一線希望。“當時看來這是我們的最佳選擇了，比粗笨的普通假臂強得多。”湯米說， “阿曼達聽說后竟也興奮起來。”很快他們就坐上了去往芝加哥的飛機。托德? 庫伊肯是芝加哥康復中心的一名內科醫生兼生物醫學工程師，負責生物電子假臂的開發。他知道，截肢者殘臂內的神經仍能傳遞來自大腦的信號。他也知道，義肢內的電腦可以指揮電動機發出動作。問題在于怎樣建立聯系。神經傳導電信號，卻不能直接連在計算機的數據線上。(神經纖維與金屬導線工作起來不搭調，而且導線接入身體處的開放傷口會成為感染入侵的高危通道。)庫伊肯需要找一種放大器來增強神經帶來的信號，這樣便不必直接求之于神經。他在肌肉中找到了。肌肉收縮時會釋放出一股電脈沖，足以被貼在皮膚上的電極感應到。他開發出一種技術，把被切斷的神經從原來的肢體損毀處移走，轉接到有適當的信號放大功效的其他肌肉。2006年10月，庫伊肯開始為阿曼達接駁。第一步是把早先分布在整條手臂中的主要神經保住。“這些神經原本就負責胳膊和手的運作，但如今我得另外找出四個肌肉區域，把它們轉接過去。”庫伊肯說。這些神經發端于阿曼達的大腦運動皮質(這里存有肢體的大略圖像)，在殘臂的末端戛然而止，正如被切斷的電話線。通過繁復的手術，它們被一名外科醫生重新接入上臂肌肉的不同區域，并在之后幾個月中一毫米一毫米地生長，在各自的“新家”中扎根。“三個月后我開始感到輕微的刺癢和抽搐，”阿曼達說，“四個月后，我觸碰上臂的時候竟真能感覺到手的不同部位。我在不同的位置摸摸，感覺對應著一根根手指。”她感受到的其實是嵌在大腦中的那條“幽靈手臂” ，它如今又連上了血肉。阿曼達心里想著挪動“幽靈手指”時，上臂的真實肌肉就會收縮。又過了一個月，她裝上了自己的第一只生物電子手臂，電極藏在斷臂外圍的塑料罩中，捕捉肌肉的信號。此時的挑戰在于如何把這些信號轉化為活動肘部和手掌的指令。從阿曼達那一小段上臂中涌出了龐雜的電子“噪音” ，其中夾雜著“伸直肘部”或“轉動手腕”這樣的信號。安裝在假臂內的微處理器必須經過周密編程，才能揀出正確的信號，發送給相應的馬達。因為有阿曼達的“幽靈手臂”，篩選這些信號才成為可能。在康復中心的一間實驗室中，工程師布萊爾? 洛克負責完成編程的細小調整。他讓阿曼達卸下假臂，在她的殘臂上貼滿電極。她站在一臺大平板電視前，屏幕顯示著一只浮在藍色背景上的手臂——這就是“幽靈手臂”的映像。電極接收阿曼達的大腦發給殘臂的指令，屏幕上的手臂就會動。洛克壓低嗓音——以免妨礙阿曼達集中精神——讓她把手翻過來，掌心向內。在屏幕上，手掌翻動，掌心向內。“現在伸直手腕，掌心向上。”他說。屏幕上的手又動了。“是不是比上次好？”她問。“對呀，信號很強。”阿曼達笑了。接下來洛克讓她把拇指與其余四指并攏。屏幕上的手照做了。阿曼達睜大了眼睛：“哎呀，我之前都不知道自己能這樣做！”一旦與某個特定動作對應的肌肉信號被識別出來，就可以設定假臂的計算機程序，使之搜尋這種信號，并在尋獲時激活相應馬達。阿曼達練習使用假臂的地方就在庫伊肯的辦公室樓下，是一間由作業治療師安設的公寓，里面有初獲假肢的殘疾人日常可能用到的各種器具。帶爐灶的廚房，放金屬餐具的抽屜，睡床，配衣架的櫥柜，洗手間，樓梯——都是人們每天不經意使用著的器物，但對失去某段肢體的人來說卻產生了巨大的阻力。阿曼達做花生醬三明治的動作能看得人目瞪口呆。她把袖子卷起來，露著假臂的塑料罩，動作十分流暢：用那只完好的手臂托起一片面包，用假臂的手指抓起刀子，手肘彎曲，一來一去地抹著花生醬。“剛開始的時候也不容易， ”她說，“我努力活動，手卻常常走不對地方。”但她下功夫練習，假臂用得越多，動作就變得越自然。阿曼達現在最想要的是假臂的知覺。它會對許多活動大有幫助，包括她最喜歡做的一件事——喝咖啡。“紙杯的毛病在于，我的假手抓東西時會一直收攏，直到握緊才停下來，而拿著紙杯不可能握緊。”她說，“有一回在星巴克就出了洋相，用假手去抓紙杯，‘撲’的一下捏爆了。”庫伊肯說，她大有希望得到這種知覺，還是要靠她的“幽靈手臂” 。芝加哥康復中心與約翰? 霍普金斯大學應用物理學實驗室的生物工程師合作，一直在為阿曼達這樣的患者開發一種新型義肢，它不僅更靈活——擁有更多馬達和關節——指端還有壓力感應墊。一些類似活塞桿的細棒與感應墊相連接，抵住阿曼達的殘肢。手上受力越大，“幽靈手指”的感覺就越強烈。“這樣我就能察覺手握得有多緊了。”她說。通過細棒振動的速度，她還能區分手指摸過的物體是粗糙(比如砂紙)還是光滑(比如玻璃) 。“我去芝加哥試用了一下，非常喜歡。”她說，“我都希望他們現在就讓我拿回家去。可是它比我在家用的假肢復雜得多，他們還不能放心地交給我。”埃里克? 施倫普與阿曼達不同，他不需要假肢，只需要讓自己天生的手臂復工——自從施倫普在1992年摔斷脖子變成四肢癱瘓，它們就沒自己動彈過。然而，如今這名40歲的俄亥俄男子能捏起刀叉了。他能這么做，要歸功于凱斯西儲大學的生物醫學工程師亨特? 佩卡姆開發的一種植入裝置。“我們的目標是恢復手的抓握能力。”佩卡姆說，“動手是獨立生活的關鍵。”施倫普的手指肌肉和控制它們的神經依然存在，但從大腦傳來的信號到頸部就被截斷了。佩卡姆帶領其他工作人員從施倫普的胸部插入八根微細的電極，在右臂的皮下一路走到手指肌肉。他胸前的肌肉收縮時，會引發一個信號，經由無線發射器傳給掛在他輪椅上的小型電腦，后者將信號解讀后傳回植入他胸部的接收器，再由導線順著手臂傳到手上，于是信號命令手指的肌肉收緊、握攏——這一切都在1微秒內完成。“我能抓起叉子自己吃飯了，”施倫普說， “這意義重大。”