對(duì)于肢體殘障人士來說，希望假肢不僅僅可以實(shí)現(xiàn)美觀作用，更可以用“意念”控制，從而真正達(dá)到“如臂使指”的效用。美國(guó)的DARPA（國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）為方便戰(zhàn)場(chǎng)負(fù)傷士兵的日常生活，十多年前即著手研發(fā)號(hào)稱“盧克之手”的仿生假肢，目前已獲美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)。英國(guó)的i—limb機(jī)械手已進(jìn)入商用。而中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院科研團(tuán)隊(duì)致力于將這類“意念控制”的假肢輕量化、低價(jià)化，目前研究已取得一定成果，并進(jìn)行了人體實(shí)驗(yàn)。
那么，人是如何用“意念”控制假肢？它們和原生肢體還有多大差距？
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體的”。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人通過神經(jīng)元控制身體各組織器官，會(huì)產(chǎn)生生物電信號(hào)，這種信號(hào)中載有人的行為信息，能夠直接反映人的意圖。科學(xué)家通過解碼人體生物電信號(hào)，從而試圖識(shí)別人的“意念”，進(jìn)而讓機(jī)器按人的想法工作——這方面研究已成為人機(jī)交互研究的熱點(diǎn)之一。
目前來說，廣泛關(guān)注的生物電信號(hào)包括肌電（Electromyography，EMG）、腦電（Electroencephalography，EEG）以及眼電（Electrooculography，EOG）等。
研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)截肢患者都存在一種幻覺，認(rèn)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(dāng)截肢者通過想象，用他們的幻肢做某一動(dòng)作時(shí)，大腦產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)使得殘存的肌肉收縮，產(chǎn)生肌電信號(hào)。
由于表面肌電信號(hào)（Surface EMG，sEMG）蘊(yùn)含信息豐富，采集技術(shù)相對(duì)成熟，并且是無創(chuàng)采集，因而受到眾多研究者青睞。據(jù)了解，表面肌電信號(hào)是一種非平穩(wěn)的微電信號(hào)，它一般在肢體運(yùn)動(dòng)前30—150毫秒產(chǎn)生。
中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員王衛(wèi)群向南方日?qǐng)?bào)記者解讀識(shí)別肌電信號(hào)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(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，進(jìn)而通過電信號(hào)強(qiáng)弱與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系來控制假肢連續(xù)運(yùn)動(dòng)，或者當(dāng)電信號(hào)超過一定閾值時(shí)產(chǎn)生關(guān)節(jié)動(dòng)作。王衛(wèi)群說，通過肌電信號(hào)控制智能假肢存在的問題在于，肌電信號(hào)非常微弱且不穩(wěn)定，“例如容易受脂肪厚度、出汗、溫度、毛發(fā)等因素影響”。
另外，對(duì)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(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練。王衛(wèi)群說，訓(xùn)練的過程，即是建立肌電信號(hào)與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。“這可以通過建立數(shù)學(xué)物理模型等方式來實(shí)現(xiàn)，但是由于肌電信號(hào)及模型的復(fù)雜性，需要采集足夠的數(shù)據(jù)樣本來訓(xùn)練模型，才能實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)對(duì)假肢的在線控制，因此訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)。”
王衛(wèi)群也指出，訓(xùn)練過程還與假肢復(fù)雜程度有關(guān)。
智能化假肢成研究熱點(diǎn)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所教授姜力等專家今年7月的《機(jī)器人》雜志發(fā)表文章，回顧智能假肢的研發(fā)歷史。姜力在文章中指出，假肢有幾百年的發(fā)展歷史，1948年世界上第一個(gè)肌電控制假肢問世，實(shí)現(xiàn)了人體神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)假肢的控制。此后，單自由度肌電控制假肢一直占據(jù)假肢手的主流。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著生機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，假肢進(jìn)入了第二次技術(shù)革命，智能化成為新一代假肢的核心特征。2010年，智能假肢被《生命科學(xué)》雜志列為未來的十大創(chuàng)新技術(shù)之一。
在一系列研發(fā)計(jì)劃的推動(dòng)下，第一代智能假肢問世。2007年，英國(guó)Touch Bionics公司研制成功了世界上首個(gè)各手指可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的多自由度靈巧假肢產(chǎn)品i－Limb。
繼i－Limb之后，德國(guó)Vincent公司和英國(guó)RSL Steeper公司分別于2010年和2012年推出了Vincent假肢手和Bebionic假肢手。2005年起，美國(guó)DARPA啟動(dòng)了“革命性假肢”計(jì)劃，成為有史以來假肢領(lǐng)域最大的研究計(jì)劃，約翰霍普金斯大學(xué)等30多家研究機(jī)構(gòu)參與，相繼推出了“盧克之手”和MPL智能假肢，其中“盧克之手”2014年通過FDA（美國(guó)食品藥品管理局）認(rèn)證，2016年進(jìn)入臨床應(yīng)用。
“盧克之手”，顧名思義，其名稱來自于星戰(zhàn)電影中“天行者盧克”與真手無異的機(jī)器手。它有一套獨(dú)特的肌電算法控制系統(tǒng)，末端傳感器可以精準(zhǔn)采集病人的肌電信號(hào)并快速作出響應(yīng)。
國(guó)內(nèi)也有類似研究。前述中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李光林研究員及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的仿生假肢著力兩個(gè)方面改進(jìn)：重量更輕、成本更低。它利用3D打印技術(shù)制作，重量?jī)H200克，遠(yuǎn)低于同類型假肢500多克的重量，大大減輕了患者的佩戴負(fù)擔(dān)，方便長(zhǎng)期佩戴。另外，其預(yù)期售價(jià)也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。李光林告訴南方日?qǐng)?bào)記者，其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過幾年的努力，在肌電假肢控制穩(wěn)定性、可靠性及假肢設(shè)計(jì)等方面有了一些突破，不過仍有一些技術(shù)細(xì)節(jié)需要完善。
人體關(guān)節(jié)的靈活性機(jī)器仍難以實(shí)現(xiàn)
姜力在文章中指出，面向殘疾人應(yīng)用的假肢手需要在人體神經(jīng)信號(hào)的控制下工作，因此必須考慮假肢結(jié)構(gòu)與生機(jī)接口的性能匹配和功能集成問題。
目前，由于人體運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信息編碼不明，現(xiàn)有的大多數(shù)生機(jī)接口只能輸出較少的離散運(yùn)動(dòng)模式，特別是對(duì)于有效肌肉群少且肌電信號(hào)弱的肢殘患者來說，難以直接控制具有多主動(dòng)自由度的靈巧操作結(jié)構(gòu)；同時(shí)，與機(jī)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(jī)接口性能約束下以較少的主動(dòng)自由度再現(xiàn)人手的靈巧運(yùn)動(dòng)特性是智能假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要解決的問題。
王衛(wèi)群也表示，目前我們能看到的智能假肢產(chǎn)品還是以單關(guān)節(jié)為主，與人類肢體的自然運(yùn)動(dòng)還有較大差距。“目前單關(guān)節(jié)和少關(guān)節(jié)的假肢，比如踝關(guān)節(jié)假肢、少自由度假手等有一些產(chǎn)品，但是實(shí)現(xiàn)更多自由度、更接近人體仿生學(xué)的關(guān)節(jié)控制，還有很遠(yuǎn)的路要走。”
自由度用來表示機(jī)械靈活的程度。以人類為例，人類的手共有27個(gè)自由度：每個(gè)手指中有4個(gè)，拇指上有5個(gè)，手腕上還有6個(gè)——這種高精細(xì)度對(duì)于機(jī)器來說仍然難以實(shí)現(xiàn)。
另一種思路：直接從大腦讀取信號(hào)
2014年，巴西圣保羅的世界杯開幕式上，29歲的下肢癱瘓病人平托穿戴了由腦信號(hào)控制的外骨骼，為比賽開球。平托的動(dòng)作，即來自于智能假肢的另一種思路：通過腦機(jī)接口讀取腦電信號(hào)，操縱機(jī)械肢體。
什么是腦機(jī)接口？腦機(jī)接口指在人腦和外部設(shè)備之間建立起來的直接通訊通道。人們常把腦機(jī)接口用于研究、替代、輔助、增強(qiáng)、改善或修復(fù)人的認(rèn)知功能或感覺－運(yùn)動(dòng)功能。早在上世紀(jì)90年代末，紐約州立大學(xué)的科學(xué)家即第一次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，利用腦皮層神經(jīng)元集合信號(hào)可以控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)。
王衛(wèi)群在一篇綜述中寫道，腦電信號(hào)作為運(yùn)動(dòng)意圖的直接反映，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖的識(shí)別也相應(yīng)更為迅速。目前，腦機(jī)接口的主要手段包含植入式和非植入式兩類。植入式腦機(jī)接口優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)采集效果更好，但有植入手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。而非植入式腦機(jī)接口目前較多采用的是頭部表皮腦電圖信號(hào) （EEG），實(shí)現(xiàn)腦和外部世界的簡(jiǎn)單通訊，缺點(diǎn)是信號(hào)帶寬有限且抗干擾能力差。
“目前通過植入式腦機(jī)接口控制多自由度機(jī)械臂已經(jīng)有一些比較好的結(jié)果，比如2012年《自然》雜志發(fā)表了美國(guó)布朗大學(xué)的研究成果，采用植入式腦機(jī)接口技術(shù)，上肢癱瘓患者通過意念控制多自由機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)喝飲料等日常生活動(dòng)作。”王衛(wèi)群告訴南方日?qǐng)?bào)記者，“相對(duì)于植入式腦機(jī)接口，肌電尤其是表面肌電使用更為方便一些，也更安全，不足之處在于肌電對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖有一定的滯后，以及存在識(shí)別準(zhǔn)確性等問題。目前，采用非植入的腦機(jī)接口與表面肌電相結(jié)合來解讀人體意圖的研究，已經(jīng)有一些初步結(jié)果。”