神經機器接口新進展！讓“假肢”運動自然如真胳膊，登上Science子刊新封 原創 楊暢 智東西 收錄于話題 #機器人 ,213個

仿生手臂裝上微型機器人，能像健全人一樣移動手臂觸摸抓握物體。

編譯 | 楊暢

編輯 | Panken

智東西9月6日消息，美國克利夫蘭診所為仿生手臂開發的一項“神經-機器接口”新研究，剛剛登上了Science Robotics最新人機交互專刊封面。

通過在改造的仿生手臂裝上微型機器人，患者能像正常人一樣能去思考、決策、執行任務，不僅可以直接控制手臂運動，還能感受到手臂和手的運動、抓握和觸摸，恢復基礎的上肢運動能力。

這些發現是朝著實現截肢患者完全恢復自然手臂功能所邁出的重要一步。

該研究論文題目為《仿生上肢的假肢觸覺、運動感覺和運動的神經機器人融合促進了內在的大腦行為（Neurorobotic fusion of prosthetic touch, kinesthesia, and movement in bionic upper limbs promotes intrinsic brain behaviors）》，于2021年9月1日發表在Science Robotics上。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf3368

01.

仿真手臂市場大，技術落后

根據2021年國際市場調研機構Grand View Research的相關報告，到2028年，全球假肢和矯形器市場預計將超過80億美元。

但目前假肢研究已經遇到了機械障礙，它們不能實現許多日常生活中人體需要的直觀感覺，比如說張開和合上雙手。

根據美國克利夫蘭診所所勒納研究所生物醫學工程系副教授、研究通訊作者保羅·馬拉斯科（Paul Marasco）的說法，由于佩戴傳統假肢的人無法用四肢來感知環境，他們在日常生活中完成任務時的行為和沒有截肢人的行為會不同。

例如，佩戴傳統假肢的人在使用假肢時必須目不轉睛地注視著假肢，并且當他們用力過大或過小時，很難學會糾正這些錯誤。

▲保羅·馬拉斯科（Paul Marasco）

借助新的仿生手臂和先進的評估工具，研究人員可以看到研究參與者的大腦和行為策略發生了變化，與沒有截肢的人可以相匹配。

研究參與者不再需要看他們的假肢，可以在不看的情況下找到東西，可以更有效地糾正錯誤。

馬拉斯科說：“在過去的10年或20年里，假肢的進步幫助佩戴者實現了更好的功能，并自己管理日常生活。第一次，上肢截肢的人現在能夠再次像健全人一樣‘思考’，新仿生手臂可以為假肢佩戴者實現新程度無縫重新融入日常生活。”

針對這種情況，美國克利夫蘭診所研究人員牽頭的國際團隊（合作機構有加拿大阿爾伯塔大學和加拿大的新不倫瑞克大學）開發了一種新的仿生系統，來改裝標準護理仿生手臂。

02.

使用多個微型機器人刺激神經末梢

研究人員首先通過外科手術將被截肢患者手臂中之前用于控制被切除手臂部分（比如手指尖）的神經末梢，“plug”到截肢部位。

馬拉斯科說：“你的大腦就像知道‘手指連接著一塊肌肉，但不知道是肩膀上的肌肉，還是前臂上的肌肉’。”

然后研究人員將仿生手臂放在患者的截肢部位，微型機器人安裝在仿生手臂接口的插座中，當患者與仿真手臂接觸時，這些微型機器人會按壓患者截肢部位的相關區域，刺激現在附著的神經末梢。

在定向感覺神經移植過程中，微型機器人觸摸皮膚會激活感覺受體，使患者能夠感知觸覺。

▲仿生手臂內部的機器人觸摸系統。每個小黑匣子通過神經-機器接口界面為佩戴者提供單個手指感覺。

在定向運動神經移植過程中，患者想移動其四肢時，經過神經移植的肌肉會與計算機化的仿真手臂之間通過通信，實現以相同方式移動。

此外，微型但有力的機器人會振動這些肌肉中的動覺感受器，幫助仿真手臂佩戴者感知到他們的手和手臂在移動。

▲上肢截肢患者能如常人般使用仿生手臂，做出各種自然的行動。神經-機器接口與佩戴者的肢體神經相連。

當患者想要使用或移動仿真手臂時，它可以讓患者將大腦中的神經脈沖發送到仿真手臂，并從環境中接收物理信息，然后通過神經將信息傳回大腦。

研究人員修改了現有的仿真手臂，而不是從頭開始研制新的仿真手臂，希望能夠盡快將這些設備送到康復診所，使其比傳統的仿真手臂更具成本效益。

03.

減少注視仿真手臂時間

這種仿真手臂系統結合了三種重要的感覺和運動方式：直觀的運動控制（TMR-motor）、觸摸（TSR-touch）和抓握運動感覺（TSRm-kinesthesia）。

研究人員在兩名參與研究的上肢截肢志愿者身上測試了他們設計的新的仿真手臂，并發現這些截肢患者恢復了截肢前的反射行為，包括憑直覺的抓握和自然的眼球移動，即患者可以將視線從肢體上移開。

▲仿真手臂可以幫助佩戴在感受抓握運動和指尖在觸摸物體，這些都通過佩戴者思維直接控制。佩戴者手臂和身體上的反光標記有助于計算機在3D環境中看到他們的動作，而眼鏡則可以讓計算機準確地看到佩戴者看到的東西。

參與者佩戴仿生手臂執行了需要手部和手臂功能的基本日常行為任務，研究人員通過他們新開發的評估工具，評估了佩戴這種仿生手臂的人、非殘疾人和佩戴傳統假肢的人各自的表現。

▲真實和虛擬的仿生手臂都非常靈巧，足以代表每個研究參與者通過他們的神經機器接口感受到的所有不同的手部運動產生的感覺。

在測試期間，一位上肢截肢的參與者使用仿生手臂，將易碎的紙杯從屏障的一邊轉移到另一邊時，此時動作靈敏的相機會追蹤她的眼睛運動，捕捉她手臂和身體上反射標記的運動。

擁有運動控制、觸摸與運動感知后，她的動作更像一個沒有截肢的人。

該仿真手臂可能是第一個同時多種測試結果優于典型仿真手臂的仿真手臂。

研究人員還比較了同時啟用和單獨啟用三種感覺和運動方式時，參與者的表現情況。

他們使用仿真手臂效率和盈利能力（PEP）評估來量化，個人如何有效地使用反饋來通知與整體運動表現相關的感官，進行辨別決策。同時啟用觸覺和抓握運動感覺時，兩位參與者的運動剛度辨別精度顯著提高，高于單獨的直觀的運動控制。

▲美國克利夫蘭診所開發的PEP測試。該測試提供了關于個體通過使用其觸覺和抓握運動感覺，來在干擾物中尋找不同剛度塊時，所做出的決定的類型的洞察。

參與者的識別和處理速度也有所提高，其中一位參與者識別時間為4.01s-7.75s，處理時間為2.57s-4.53s，啟用三種感覺和運動方式時，效果更好。

▲執行測試的參與者的實驗數據，C圖是佩戴仿生手臂時測試的結果，y軸顯示參與者的效率得分，以每秒正確剛性塊百分比來衡量

研究人員使用凝視和運動評估（GaMA）協議量化參與者的視覺注視和運動情況。同時啟用觸覺和抓握運動感覺時，兩位參與者目光注視在仿真手臂上的時間更少，增加了對自己抓起杯子的信心。

馬拉斯科談道：“也許我們最興奮的是，他們像沒有截肢的人一樣，可以對錯誤做出判斷、決定、計算和糾正。”

04.

結語：仿生假肢市場潛力大，

但實驗室產品落地時間有不確定性

研究人員通過改造現有仿生手臂，想要更快的將這種技術推廣。改造后的仿生手臂結合三種感覺和運動方式，上肢截肢者第一次能像身體健全的人一樣再次恢復自然運動和感知能力。

除此之外，其他實驗室還有很多仿生假肢的實驗取得成功，但是這些成功的產品仍處于實驗室測試階段，具體的商業化落地時間還不能確定。

來源：Science、CNET、Cleveland Clinic

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原標題：《神經機器接口新進展！讓“假肢”運動自然如真胳膊，登上Science子刊新封》

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