可以識別細微神經(jīng)信號的新型控制系統(tǒng)，能讓假肢使用者更加優(yōu)雅而自然地活動。
1985年，16歲的JodieO’Connell-Ponkos被工業(yè)絞肉機奪去了右臂。她曾使用過5年的假肢手臂，直到有一天，她沮喪地把它扔了。她說，“恨都只能算是輕描淡寫了”，這些設(shè)備實在太不好用。到現(xiàn)在，她已經(jīng)有20年都沒用過新的假肢了。
在上肢截肢者中，O’Connell-Ponkos的經(jīng)歷非常常見。盡管假肢在工程和可用性方面取得了很大進步，仍有高達75%的使用者放棄使用電動假肢（截至2007年），在20多年的發(fā)展過程中，這個比例并沒有顯著改變。
盡管有了更好的材料、更強大的電機，附加了更多的關(guān)節(jié)，但是上肢假肢使用的仍然是20世紀50年代開發(fā)的控制系統(tǒng)。這套控制系統(tǒng)還包括笨重的電纜和背帶組成的身體動力供電系統(tǒng)和肌電系統(tǒng)。肌電系統(tǒng)使用安放在截肢部位皮膚中的電子傳感器檢測肌肉活動，之后把這些活動信息發(fā)送給電機，從而使電機運轉(zhuǎn)。例如，要使二頭肌收縮，需要人工肘關(guān)節(jié)先彎曲，但這不符合人類的直覺，往往在大量訓(xùn)練之后，患者才能熟練使用假肢。
【圖注】圖片來源： Matthew Stout/Sikich
去年，O’Connell-Ponkos 嘗試了一款Coapt公司生產(chǎn)的新的裝備，它包括了一套可以識別細微神經(jīng)信號的新型控制系統(tǒng)。與當時的假肢不同，新的手臂能讓她更加優(yōu)雅而自然地活動。如今，這位活潑外向的馴馬師時刻穿戴著她的假肢，幫助她完成從劈柴到梳馬尾辮的各種事情。
2016年，在波士頓舉行的美國矯正和修復(fù)協(xié)會（American Orthotic and ProstheticAssociation）大會上，Coapt只在展覽大廳后面有一個非常小的攤位。在那里，O’Connell-Ponkos（已被聘請為Coapt公司代言人）正在推銷他們的技術(shù)，她說，這項技術(shù)已經(jīng)可以與五大知名假肢制造商的產(chǎn)品兼容了。
Coapt公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Blair Lock說，在2013年底他們就進入市場了，目前估計有200人正在使用這套系統(tǒng)。這套系統(tǒng)被包裹在一個黑色的小盒子中，由一塊電路板和一套算法組成，算法使用模式識別技術(shù)，能解碼從手臂肌肉中傳遞來的電信號?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成為連接用戶意圖和假體動作之間的橋梁。
Lock說，如果單獨檢測神經(jīng)活動，它會顯得非常“安靜”，不過，因為其中包含了大量信息，又會像“交響樂”一樣，需要仔細分辨。而肌肉就像揚聲器一樣，可以放大神經(jīng)的活動。傳統(tǒng)的肌電系統(tǒng)只能檢測到音樂的音量，但模式識別軟件可以把一個特定的大腦信號（就像一首獨特的歌）和一個動作聯(lián)系起來。
這家公司計劃在近期發(fā)布一款體積更小的新產(chǎn)品。不僅如此，他們從普渡大學(xué)得到了一項新技術(shù)的授權(quán)，可以直接從皮膚下讀取電信號（使用植入式電極）。不過，Lock對于這項技術(shù)的發(fā)展計劃守口如瓶，他想等到時機合適再向大家公布。
在改變上肢假肢控制方式的道路上，Coapt并不孤單，還有兩家領(lǐng)先的假肢制造公司也在努力提升假肢的控制系統(tǒng)。約翰斯霍普金斯模塊化假肢上肢（MPL）也可以使用模式識別軟件操作，而德克研究公司（DEKA Research）以《星球大戰(zhàn)》中盧克·天行者的命名的假肢（LUKE Arm）采用的就是Coapt系統(tǒng)。無論是MPL 還是LUKE Arm都是由DARPA資助的。這兩個產(chǎn)品都還沒有上市銷售，不過，LUKE Arm計劃于今年年底推出。
約翰斯霍普金斯的MPL模式識別系統(tǒng)是內(nèi)部開發(fā)的，MPL的創(chuàng)造者——約翰斯霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的研究與開發(fā)部總工程師 Mike McLaughlin說，“我們的想法是把意識直接轉(zhuǎn)化成動作。”
LUKE Arm可以通過包括Coapt系統(tǒng)在內(nèi)的多種方式控制，德克研究公司（DEKA Research）LUKE Arm開發(fā)團隊的一員Tom Doyon說。LUKE Arm還有一個特點，可以使用無線腳部控制，這就像使用操縱桿一樣使手臂按預(yù)定模式移動。
然而，雖然上述假肢已經(jīng)很方便了，但使用起來還是無法像真手一樣自如。即使是最好的控制系統(tǒng)也只是執(zhí)行一系列預(yù)先設(shè)定的動作，不能隨心所欲地控制。拿Coapt系統(tǒng)來說，使用者可以預(yù)先設(shè)定約六至八個動作，如日常使用的伸出手指、捏合或者攥拳等。
現(xiàn)在，限制假肢發(fā)展的因素不是手臂的設(shè)計和制造技術(shù)（以MPL為例，它由26個關(guān)節(jié)和上百個傳感器組成），而是破譯大腦信號的帶寬。“在移動手臂的時候，可能有5億個神經(jīng)元參與，但是現(xiàn)在我們最多只能觀測到幾百個神經(jīng)元，”McLaughlin說，“這些東西都存在于我們的大腦中，但是我們觀測它們的能力卻是有限的。”
未來的假肢控制技術(shù)希望通過在皮膚下甚至大腦中植入電極的方式來直接探測大腦的“交響樂”。最近，約翰斯霍普金斯MPL團隊與匹茲堡大學(xué)研究人員合作對兩例重度脊髓損傷病人實施了腦電極植入手術(shù)。理想上，希望該技術(shù)有一天會成為無創(chuàng)手術(shù)，McLaughlin說，“但我們還沒有達到這樣的效果。請再給我們一年左右的時間。”
