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智能假肢,何时得以无缝连接?

导读: 英国的i—limb机械手已进入商用。而中国科学院深圳先进技术研究院科研团队致力于将这类“意念控制”的假肢轻量化、低价化,目前研究已取得一定成果,并进行了人体实验。

对于肢体残障人士来说,希望假肢不仅仅可以实现美观作用,更可以用“意念”控制,从而真正达到“如臂使指”的效用。美国的DARPA(国防高级研究计划局)为方便战场负伤士兵的日常生活,十多年前即着手研发号称“卢克之手”的仿生假肢,目前已获美国食品药品管理局批准。英国的i—limb机械手已进入商用。而中国科学院深圳先进技术研究院科研团队致力于将这类“意念控制”的假肢轻量化、低价化,目前研究已取得一定成果,并进行了人体实验。

那么,人是如何用“意念”控制假肢?它们和原生肢体还有多大差距?

如何用“意念”控制假肢

既然是仿生,那么首先就要研究“人是如何操控原生肢体的”。科学家发现,人通过神经元控制身体各组织器官,会产生生物电信号,这种信号中载有人的行为信息,能够直接反映人的意图。科学家通过解码人体生物电信号,从而试图识别人的“意念”,进而让机器按人的想法工作——这方面研究已成为人机交互研究的热点之一。

目前来说,广泛关注的生物电信号包括肌电(Electromyography,EMG)、脑电(Electroencephalography,EEG)以及眼电(Electrooculography,EOG)等。

研究发现,大多数截肢患者都存在一种幻觉,认为因截肢而失去的肢体依然存在,这被称为“幻肢感”。比如,他们可以想象失去的肢体还可以拿取物品,甚至感受到疼痛等。当截肢者通过想象,用他们的幻肢做某一动作时,大脑产生的运动神经信号使得残存的肌肉收缩,产生肌电信号。

由于表面肌电信号(Surface EMG,sEMG)蕴含信息丰富,采集技术相对成熟,并且是无创采集,因而受到众多研究者青睐。据了解,表面肌电信号是一种非平稳的微电信号,它一般在肢体运动前30—150毫秒产生。

中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员王卫群向南方日报记者解读识别肌电信号控制假肢的原理:通过贴在肌肉表面的电极片感受肌肉收缩时产生的电信号,进而通过电信号强弱与假肢关节运动量的对应关系来控制假肢连续运动,或者当电信号超过一定阈值时产生关节动作。王卫群说,通过肌电信号控制智能假肢存在的问题在于,肌电信号非常微弱且不稳定,“例如容易受脂肪厚度、出汗、温度、毛发等因素影响”。

另外,对于残障人士来说,“意念”控制假肢并不仅仅是安装即用,还要进行较长时间的训练。王卫群说,训练的过程,即是建立肌电信号与假肢关节运动的对应关系。“这可以通过建立数学物理模型等方式来实现,但是由于肌电信号及模型的复杂性,需要采集足够的数据样本来训练模型,才能实现肌电信号对假肢的在线控制,因此训练时间较长。”

王卫群也指出,训练过程还与假肢复杂程度有关。

智能化假肢成研究热点

哈尔滨工业大学机器人研究所教授姜力等专家今年7月的《机器人》杂志发表文章,回顾智能假肢的研发历史。姜力在文章中指出,假肢有几百年的发展历史,1948年世界上第一个肌电控制假肢问世,实现了人体神经系统对假肢的控制。此后,单自由度肌电控制假肢一直占据假肢手的主流。进入21世纪,随着生机电一体化技术的产生和发展,假肢进入了第二次技术革命,智能化成为新一代假肢的核心特征。2010年,智能假肢被《生命科学》杂志列为未来的十大创新技术之一。

在一系列研发计划的推动下,第一代智能假肢问世。2007年,英国Touch Bionics公司研制成功了世界上首个各手指可独立运动的多自由度灵巧假肢产品i-Limb。

继i-Limb之后,德国Vincent公司和英国RSL Steeper公司分别于2010年和2012年推出了Vincent假肢手和Bebionic假肢手。2005年起,美国DARPA启动了“革命性假肢”计划,成为有史以来假肢领域最大的研究计划,约翰霍普金斯大学等30多家研究机构参与,相继推出了“卢克之手”和MPL智能假肢,其中“卢克之手”2014年通过FDA(美国食品药品管理局)认证,2016年进入临床应用。

“卢克之手”,顾名思义,其名称来自于星战电影中“天行者卢克”与真手无异的机器手。它有一套独特的肌电算法控制系统,末端传感器可以精准采集病人的肌电信号并快速作出响应。

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