截肢患者的“原力覺(jué)醒”

劉先生控制仿生手在電腦鍵盤上敲下自己的名字。

1月3日，廣東省工傷康復(fù)中心里，劉先生在演示其新安裝的五指聯(lián)動(dòng)智能仿生手。

一場(chǎng)工傷事故，30多歲的劉先生，成了一個(gè)沒(méi)有了四肢的殘疾人。右臂肘關(guān)節(jié)以上沒(méi)有了，左臂肘關(guān)節(jié)之前部分被截?cái)?，膝關(guān)節(jié)以下離斷……他用了差不多三年的時(shí)間來(lái)康復(fù)、訓(xùn)練，適應(yīng)各種各樣的假肢，直到2018年，他成了廣東省工傷康復(fù)醫(yī)院里第一個(gè)用上五指聯(lián)動(dòng)智能仿生手的截肢傷者。

而這只手和左臂的殘端連接在一起后，他通過(guò)大腦發(fā)出指令，五個(gè)手指和手掌就能完成握、扣、叩、捏、托、抓、敲等16種簡(jiǎn)單動(dòng)作。而在熟練掌握了這些動(dòng)作后，將這些動(dòng)作組合起來(lái)，又能組成一些精細(xì)的手部動(dòng)作?！斑@種五指聯(lián)動(dòng)智能仿生手遠(yuǎn)比單純的假肢要靈活許多，通過(guò)訓(xùn)練，僅憑這只假手，傷殘者是能部分恢復(fù)生活自理能力的，更為關(guān)鍵的是，假肢接收的是大腦的指令”，廣東省工傷康復(fù)醫(yī)院假肢矯形師艾旺憲表示，這就類似于好萊塢電影《星球大戰(zhàn)》里絕地武士用原力去驅(qū)使光劍，又好比武俠片中高手憑意念去操縱兵器。

訓(xùn)練用意念操控假肢

在2018年元旦假期后安裝上假肢之后，劉先生一直在努力地訓(xùn)練用意念操控假肢。“目前能夠做到的，就是自如地握起水杯，用一根手指敲擊鍵盤、敲門等動(dòng)作”，劉先生現(xiàn)場(chǎng)向南都記者演示了這些動(dòng)作，運(yùn)用這只假手，他很快就做出了一個(gè)一指禪動(dòng)作，然后用這個(gè)手指在電腦上敲擊出了自己的名字。這至少解決了去銀行按密碼的問(wèn)題?！耙?yàn)樗闹急唤財(cái)啵瑹o(wú)法按密碼、簽名，他一度連丟失的銀行卡都無(wú)法補(bǔ)辦”，一旁的劉太太告訴南都記者。

而類似一指禪這樣的動(dòng)作，這只假肢能夠完成16種。而根據(jù)不同的模式選擇，假肢能在單一模式下完成八種動(dòng)作。“這些動(dòng)作包括握筆、叩擊，操控鼠標(biāo)，拿鑰匙、抓牙刷、提拉東西等。”艾旺憲表示，手部的精細(xì)動(dòng)作千變?nèi)f化，假肢肯定沒(méi)辦法完全做到。但是傷殘者在熟練掌握了這些基本自理所需的動(dòng)作后，通過(guò)組合是能夠演變出一些其他的精細(xì)動(dòng)作的。

“這個(gè)假肢只是在指、掌之間安裝了微馬達(dá)，每個(gè)手指上的關(guān)節(jié)處并沒(méi)有安裝馬達(dá)，手腕部位也沒(méi)有安裝。安裝了這些微馬達(dá)后，假肢的活動(dòng)能力是會(huì)更為精細(xì)的。”

仿生手再逼真也是個(gè)假肢

艾旺憲表示，患者殘肢肌肉收縮時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的生化反應(yīng)，在皮膚表面產(chǎn)生可被測(cè)取的微小電位差。這種肌電電位差信號(hào)傳遞到微感器，經(jīng)電極中的放大器進(jìn)行放大，成為控制信號(hào)。輸入微電腦，再由微電腦發(fā)出活動(dòng)指令，通過(guò)微型馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)義肢指骨關(guān)節(jié)張合。裝配電子手的關(guān)鍵在于從殘肢皮膚表面，找出產(chǎn)生最強(qiáng)肌電電壓信號(hào)的兩個(gè)點(diǎn)，并測(cè)出這兩點(diǎn)上的電壓值。同時(shí)根據(jù)患者的殘肢情況通過(guò)肌電訓(xùn)練儀訓(xùn)練殘肢按活動(dòng)意圖有規(guī)律地收縮，從而以殘肢肌肉的不同運(yùn)動(dòng)形式有效地控制和操縱義肢指骨關(guān)節(jié)的張合，并以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)義手握力的大小及開(kāi)閉的速度。

由于目前捕捉類似肌電電位差的傳感器，還是無(wú)法做到和人類神經(jīng)一樣的靈敏。加之假肢的手指、手掌的仿生程度、活動(dòng)能力所限，目前的仿生假肢還是無(wú)法去完成諸如五個(gè)手指都動(dòng)用上的彈鋼琴動(dòng)作。別說(shuō)彈鋼琴這樣的動(dòng)作，假設(shè)一個(gè)雙手殘疾的人雙手都裝上了高仿真度的假臂。安裝者要通過(guò)大腦的意念來(lái)讓這兩只假手玩剪刀、石頭、布的游戲，都是一個(gè)非常困難的事情。而且，仿生手做得再逼真，它也是個(gè)假肢，它沒(méi)有觸覺(jué)、甚至沒(méi)有感覺(jué)。

揭秘

肌電信號(hào)構(gòu)成肢殘者的“原力”

人體的活動(dòng)，是受大腦以及由大腦發(fā)出的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行操控。類似的神經(jīng)纖維密布于從頭頂?shù)街付说捏w內(nèi)。也正是由于這條神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的存在，大腦的指令能夠被最遠(yuǎn)端的手指所感受到，并配合做出相應(yīng)的動(dòng)作。但對(duì)于肢體殘疾的傷患而言，他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從截肢部位就“掉線”了，而受神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支配的肢體如手、腳等，也就不存在了。傷患即便發(fā)出了動(dòng)手指的指令，也因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)“掉線”和手指已不存在而最遠(yuǎn)只能發(fā)送到殘肢的最末端。

如果是一個(gè)常人發(fā)出的動(dòng)手指指令，手指運(yùn)動(dòng)并不只是簡(jiǎn)單的手掌、手指部肌肉的工作，連接手掌的手臂肌肉也會(huì)有一些細(xì)微的配合動(dòng)作。而對(duì)于失去手臂的肢殘人士而言，這個(gè)動(dòng)手指的指令，已無(wú)法控制手指運(yùn)動(dòng)，也沒(méi)有了手指去運(yùn)動(dòng)，但這個(gè)命令卻能控制殘端肢體的肌肉去進(jìn)行一些細(xì)微的動(dòng)作。因此肢殘的截肢者，還是發(fā)出動(dòng)手指的指令，由神經(jīng)支配殘肢肌肉收縮，產(chǎn)生表皮肌電信號(hào)，控制假手的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)大腦的直接控制，使仿生假肢近似人體的一部分。
假肢進(jìn)化史

從單純裝飾性到開(kāi)始能夠接受指令

因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)難、意外、疾病等諸多因素，自古以來(lái)就不乏完全截?cái)嗔耸?、腳的肢殘人士。為了解決肢殘傷患的需要，人們?cè)诜浅＞眠h(yuǎn)的古代，就發(fā)明了木制的假手、假腳。但這類假肢，更多起到的是裝飾性作用，沒(méi)有太多的實(shí)際功能。一旦手掌部位被截?cái)?，傷患就無(wú)法利用假肢來(lái)完成一些精細(xì)的動(dòng)作。“這種純粹解決外觀問(wèn)題的假手，目前也還在繼續(xù)應(yīng)用，只是材料變成了更逼真、舒適的硅膠、PVC材料。價(jià)錢不便宜，唯一的功能就是給傷殘截肢者一個(gè)用來(lái)看的擺設(shè)”，艾旺憲表示。

看起來(lái)美觀，并不能解決傷患的實(shí)際問(wèn)題。于是一些假手，被設(shè)計(jì)成了鉤子、夾子。畢竟有了一個(gè)鉤子后，傷患能夠鉤拉東西，也能使傷患恢復(fù)一定的勞動(dòng)能力。上世紀(jì)兩次世界大戰(zhàn)后，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的歐洲地區(qū)出現(xiàn)了數(shù)量龐大的肢殘人士。英國(guó)等國(guó)家開(kāi)始非常關(guān)注假肢的發(fā)展，并開(kāi)始兼顧假肢的功能和美觀。

上世紀(jì)50年代開(kāi)始，假肢生產(chǎn)商開(kāi)始在假肢的手掌里安裝一個(gè)機(jī)械馬達(dá)，能夠讓假肢的拇指、食指、中指三個(gè)指頭之間形成簡(jiǎn)單的張合。別小看這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的張合動(dòng)作，它讓肢殘人士有了“握”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作后，原本完全不能自理的生活，就有了明顯的變化?！斑@種假肢是傳統(tǒng)的機(jī)械式三指張合假肢，驅(qū)動(dòng)它張合的，其實(shí)已經(jīng)有了 原力 的概念，因?yàn)檠b上假肢后，傷患也是通過(guò)大腦發(fā)出張合的意念，然后這種意念發(fā)送到肢體殘端，在殘端形成電位差?！边@種毫厘級(jí)別的微弱肌電電位差在被假肢捕捉，放大，傳導(dǎo)后，讓馬達(dá)開(kāi)動(dòng)起來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)張合。類似的假肢，目前我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，因?yàn)樯婕皞鞲衅?、微小馬達(dá)、假肢材料等因素，價(jià)錢仍然需要好幾萬(wàn)元。但已經(jīng)遠(yuǎn)比進(jìn)口假肢要便宜了。

科技日益進(jìn)步，捕捉細(xì)微電位差的設(shè)備、傳感器，能夠更加靈活、敏銳。而安裝在假肢關(guān)節(jié)處的微小馬達(dá)，可以做得更加精細(xì)。于是在一個(gè)手掌上安裝更多的微小馬達(dá)就變成了可能。進(jìn)入21世紀(jì)后，更加仿生的假肢開(kāi)始陸續(xù)被研發(fā)出來(lái)。以劉先生安裝的五指聯(lián)動(dòng)智能仿生手為例，其每根手指和手指之間的連接處都安裝了微馬達(dá)，這使得每個(gè)手指都能自如地活動(dòng)，并組合成一些手部精細(xì)動(dòng)作。

文章來(lái)源南方都市報(bào)