开球：世界杯上的脑控机械腿

张田勘

巴西时间6月12日17时，第20届世界杯足球赛揭幕战在圣保罗的科林蒂安球场打响。在球迷的狂欢声中，身患截瘫的28岁的巴西青年朱利亚诺·平托身着一套“外骨骼机器衣”来到场边，象征性地为本届世界杯赛开球。平托的机械腿触球的一刹那不仅温馨感人，而且酷感十足，展现了当今高科技时代的前沿技术——脑机对接的神奇效果。

脑机接口——大脑指挥假肢

因外伤或其他原因而致截瘫的人下肢不能行走，是因为支配下肢运动神经元的信号无法通过大脑传递到腿部。为此，美国杜克大学医学院的巴西籍神经科学家米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）等人多年前就萌发了一个设想——为截肢患者装上一个外骨骼机器衣，借此由大脑意念支配假肢（机械腿），以完成行走乃至踢球等动作。

尼科莱利斯等人把他们研究的装置称为“神经假肢”，也就是脑机接口或脑机交互设备。平托穿的外骨骼机器衣类似于太空服，包括头盔、传感器、计算机、假肢（机械腿）等部分，重量约10公斤，但穿起来却舒适灵活，而其制作成本则高达8万美元。

穿上这件衣服的患者可由自己的大脑操控假肢。在平托为世界杯开球的过程中，首先，头盔设备检测他大脑发出指令时的脑电波活动，即大脑神经信号。这些神经信号被无线发送到外骨骼机器衣内的电脑上，再由电脑把脑电波指令转换成数字化指令，指挥假肢行走并踢球。外骨骼机器衣首先稳住“球员”的身体，而后在300毫秒后，大脑信号就会命令假肢（机械脚）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，将球勾起，向上抛出。

与传统假肢有很大的不同，这种包含在外骨骼机器衣上的机械假肢接受的是由大脑意念转化而来的数字化指令，从而完成相应的动作。那么，脑机接口的原理和设想是如何实现的呢？

大脑意念控制外骨骼机器衣和假肢的第一个步骤是，要把电极植入瘫痪者的大脑中以收集大脑的电信号。在放置电极时，不仅要将其植入颅骨下的脑组织内，还要能同时探测大脑皮质中数以千万计的大量神经元。

指挥人行动的大脑运动皮质位于大脑额叶，它发出的指令通常会传递到脊髓，从而控制和协调肌肉活动，健全人就是靠这一指令和程序完成动作的。而要采集到大脑的运动意念（指令）就需要一种传感器。尼科莱利斯研究团队成员、杜克大学的加里·里修（Gary Lehew）设计了一种新的传感器，称为“记录魔方”，它包含1000多个能记录大脑电信号的“微细线”。

以前的微电极阵列只有电极的尖端能记录神经元信号，但“记录魔方”可沿着中轴方向感知上、下及周边的神经信号。也就是说，“记录魔方”可以立体采集大脑皮质各个方向的神经信号，而且采集效果惊人。

收集到有效的大脑电信号（意念）不足以让瘫痪者行动和踢球，还需要把这些神经信号转化为数字信号，以指挥假肢行动。要处理记录魔方收集到的大量信号，需要一些神经芯片，并且要把这些神经芯片和微电极一起植入瘫痪者的大脑，这些装置就可以提取控制外骨骼机器衣所需要的初始运动指令。

传输大脑指令的任务是由杜克大学的蒂姆·汉森（Tim Hanson）设计的一个拥有128个频段的无线记录仪来完成的，这些记录仪同时与传感器和芯片植入大脑，传感器和芯片收集和处理的大脑电信号就可以通过无线记录仪传递到平托所穿的外骨骼机器衣内的小型计算机处理单元中。计算机的多个数字处理器接到信号后便运行各种软件，把大脑的运动信号翻译成数字命令，从而控制机械假肢，包括各个活动部位、关节以及调整机械假肢位置的各种硬件装置。

穿着外骨骼机器衣的平托为巴西世界杯象征性地开出的第一球，就是在如此复杂的数字指令的驱动下而完成的。

“重新行走”的历史和未来

让大脑指挥人体机械装置（如机械手或机械腿）行动的设想和研究可以追溯到20世纪60年代。1978年，脑机接口的研究初现光芒，第一个直接植入人类大脑的视觉辅助装置产生。这是一个带有68个电极的阵列，被植入一位成年的后天失明者，使这位患者产生了光感。除了植入大脑的电极阵列，这套设备还包括一个安装在眼镜上的电视摄像机，负责向植入大脑的脑机接口传送视觉信号。由于当时计算机技术有限，与这套系统配套的是一台重达2吨的巨型计算机。

20世纪80年代，美国约翰·霍普金斯大学的研究人员探测到猕猴手臂运动方向与其大脑单个皮质运动神经元的电信号，但由于所用试验设备的计算能力所限，无法记录大量大脑运动神经元的电信号。

后来，美国杜克大学神经工程中心、德国慕尼黑工业大学、瑞士联邦理工学院以及巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所等科研机构联合发起了“重新行走”项目，即研制外骨骼机器衣的计划。最初的研发只有几名研究人员参与，到后来全球陆续共有170多名研究人员参与到这项研究中。

1990年至2010年是“重新行走”项目动物试验取得关键进展的时期。尼科莱利斯等人研制出了更适合植入大脑的传感器。这种传感器称为即微细线。它首先被植入大鼠和猴子的大脑进行试验，结果表明，灵敏的微细线传感器可以探测到动物大脑额叶和颞叶皮质中成百上千个神经元发出的微弱电信号（动作电位），而额叶和颞叶皮质正是自主运动的主要控制脑区。这就证明，脑机接口的基础是存在的。因为，只要有大脑信号被收集，就可以把信号传输到机械臂、机械手和机械腿，让它们行动起来。

2011年，尼科莱利斯等人的试验取得突破性进展，有两只猴子学会了利用神经信号控制电脑中的虚拟手臂去抓取虚拟物体。在动物试验取得成功后，2013年研究人员招募残疾人志愿者进行人体试验。从此，在世界杯开幕式上让外骨骼机器衣所控制的机械腿踢出第一脚球，就成为尼科莱利斯研究团队的重大目标，他们将之看做检验脑机接口的机械腿能否成功的标志。

为此，研究人员在一小群在巴西培训的瘫痪青少年中选出一些志愿者参与试验。结果表明，置入大脑中的传感器与大脑神经元相连的越多，外骨骼机器衣接收的信息就越精确，机械腿完成的动作也就更加准确。

显然，现阶段的脑机接口装置还不理想。人们在世界杯开幕式上看到，平托只是轻轻地触碰了一下球，而不能像运动员一样大力开球，把球踢得又高又远。尽管如此，这已经是一个良好的开端。

不仅是研究人员，就连残疾人也盼望着，穿上外骨骼机器衣的人不仅要能迈开步子行走、调节行进速度，还应当能够屈膝、弯腰、爬楼梯和踢球。此外，理想的外骨骼机器衣还应该能让穿戴者感知脚下的地面。这需要在脚部装入一种既可以检测特定动作的力度，又能将来自外套的信号反馈给大脑的微型传感器，如此，就能让外骨骼机器衣“复制”出触觉和平衡感。如果能够实现这一点，这种感觉就能让瘫痪者感觉到脚趾与足球间的接触。

另外，瘫痪者穿上外骨骼机器衣后还需要训练才会操作这套衣服和其中的假肢。在训练中，穿衣者通过与地面的连续接触，感知机械腿的位置，并逐步积累感觉经验，使其能够在球场或人行道上从容而自如地走路并踢球。经历这一过程后，穿衣者的大脑就可以把机械外套当作自身身体的一部分了。

显然，用这些标准来衡量，现在的外骨骼机器衣还有一定的差距。但是，通过不断改进，这种脑机接口装置将不仅能帮助瘫痪者站起来并做踢球等动作，也将对肌萎缩性脊髓侧索硬化症（渐冻症）、帕金森氏病和其他运动障碍患者有所帮助，让他们能自如地伸肘、握拳、行动和说话。如果这一技术最终达到理想效果，不仅世界杯足球赛开球的一幕将更加令世人惊奇，而且，患有运动神经元疾病的英国物理学家霍金将来也有希望站起来行走和说话。