美國克利夫蘭診所是世界最著名醫療機構之一，近日，克利夫蘭診所領導的國際研究團隊開發了仿生系統（Bionic System），並且將該系統應用在了義肢上，研製出了靈活敏捷的仿生義肢，並且佩戴者在使用過程中能透過仿生義肢感受到觸覺，將徹底改善截肢患者的生活。加拿大阿爾伯塔大學和紐布倫斯威克大學也參與了這項研究。
編譯 | 伏特加
圖源 | my.clevelandclinic.org
01 有觸覺，更靈活的義肢
“我們運用複雜的仿生系統改進了一種標準的護理義肢，使佩戴者能夠更直接順暢地移動義肢，而且在使用義肢的過程中，佩戴者可以感受到觸控和運動的感覺，”該研究的首席研究員、克利夫蘭診所勒納研究所生物醫學工程系副教授保羅·馬拉斯科（Paul Marasco）表示，“這項研究對於幫助截肢患者完全恢復手臂功能具有非常重要的意義。”
仿生系統是第一個在義肢中同時測試神經機器介面中感覺和運動功能的系統。
神經機器介面與佩戴者的肢體神經相連，當患者想要使用或移動義肢時，神經機器介面能使患者從大腦向義肢傳送神經脈衝，並接收來自環境的物理資訊，然後透過神經將其傳回大腦。
人工手臂的雙向反饋和準確控制使佩戴者在完成同樣的任務時，能達到與普通人相似的精確度。
“最讓我們興奮的是，佩戴者在使用仿生義肢的過程中，可以像普通人一樣做出判斷、決定、計算並糾正錯誤，”仿生整合實驗室的負責人馬拉斯科表示，“有了這種新的仿生義肢，佩戴者彷彿擁有了一隻真實的手。以往，截肢患者和普通人的大腦思考以及行為模式非常不同，但現在，一切迎來了轉機。”
02 能產生觸覺的觸控機器人
研究人員為兩名上肢截肢的實驗參與者佩戴了新型仿生義肢，並測試他們的反應。
在實驗過程中，這兩名參與者會經歷兩個過程：定向感官再支配和定向運動神經再支配，這兩個過程分別對應觸覺和運功功能，過程中仿生義肢透過將截肢的神經重新定向到剩餘的面板和肌肉來建立神經機器介面。
在定向感官再支配的過程中，仿生義肢連線身體的一端會使用小型觸控機器人來觸控面板，然後再將其對映到義肢的手指上。
當義肢上的感測器觸控到實物時，感測器會將資訊傳遞給觸控機器人，觸控機器人再根據資訊觸碰面板的再神經。進而使截肢患者感受到觸覺，感覺仿生義肢彷彿是真實的手。
反過來，在定向運動神經再支配的過程中，當患者想移動四肢時，神經向義肢傳遞資訊，進而操控義肢活動。
此外，小型觸控機器人會振動肌肉中的動覺感受器，這有助於義肢佩戴者感覺他們的手和手臂在移動。
03 改變截肢患者的思考方式
佩戴仿生義肢時，參與者完成了一些日常生活中需要用到手和手臂的行為。
研究人員利用最新的高階評估工具，同時比較了普通人、佩戴傳統義肢的截肢患者以及佩戴仿生義肢的截肢患者活動的情況。
根據馬拉斯科的說法，由於使用傳統義肢的人無法感覺到義肢，他們在日常生活中的行為與普通人不同。例如，傳統義肢的佩戴者在使用義肢時必須不斷觀察，而且他們很容易用力過猛或者不足。
在使用了仿生義肢後，研究人員觀察到，參與者的思考和行為都發生了改變，變得和普通人的思考和行為很相似。
他們不再需要盯著義肢，甚至不用看也能操控義肢找到東西，在使用過程中犯錯，也能很快糾正。
“在過去的一二十年裡，義肢技術的進步逐漸改善了佩戴者的生活，”馬拉斯科表示，“而當研製出仿生義肢後，上肢截肢患者第一次能夠像健全人一樣‘思考’，並且靈活地操作義肢，完成生活中的瑣事，也許不久的將來，義肢佩戴者就能重返昔日的生活。”
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參考資訊
[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210901142659.htm
[2]https://newsroom.clevelandclinic.org
[3]https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf3368
