智能假肢：助截肢人群恢复触觉

把脚放平，这个对于健康人来说看似简单的动作，对于佩戴固定假肢的截肢患者来说，却具有很大难度。如今，随着人机交互、仿生智能等技术不断发展，智能辅具正为残障人士的生活带来巨大改变，呈现出广阔市场空间。

美国国防高级研究计划局为方便战场负伤士兵的日常生活，十多年前即着手研发号称“卢克之手”的仿生假肢，目前已获美国食品药品管理局批准。英国的i-Limb机械手也已进入商用。那么，人如何用“意念”控制假肢？它们和原生肢体还有多大差距？

传统假肢吃力费劲

已知的最古老假肢出现在3000年前的古埃及。那是一根附着皮革的木雕脚趾，刚好可以用皮革套在脚上。

直到16世纪才出现功能性的机械肢体。法国战地医生安布鲁瓦兹·帕里发明了有着灵活手指的假手，利用钩子和弹簧操作。他还制造了一只机械膝，使用者可以借其站定在某个位置。

对于肢体残缺的患者来说，假肢不仅能填补外形上的空缺，还能在一定程度上恢复一些活动。假肢技术在过去几十年里的最大变化，无非是表面用塑料或硅胶代替了皮革，内部的基本构造依旧是一堆机械部件，由弹簧或马达驱动，由操纵杆、液压或者气压装置控制。这些简单机械构造的假肢操控起来很复杂，比如残障人士要想完成伸出假肢手臂这么一个简单的动作，就必须先用下巴压住操纵杆，再加上一个类似于抛掷的动作才能把手臂甩出去。

传统假肢的手掌和手指，不仅抓握物品相当费劲，力度也不好控制，拿捏不好的话，可以轻易捏爆一个鸡蛋。上下楼梯则更费劲了，传统假肢需要靠肌肉来带动，并且由于不能弯曲，走有坡度的路时非常吃力。

此前，科学家的研发重心在于假肢的灵活度和佩戴舒适度，属于单向大脑信号的传导，少有人关注假肢本身带来的触觉等一系列反馈。也就是说，就算装上假肢，也要依靠眼睛来判断物体方位、辨别物体的形状和软硬度等。美国密歇根大学教授丹尼尔·费里斯说，多数假肢“基本上是漂亮的木制腿”。

“意念”控制应运而生

人是如何操控原生肢体的？科学家发现，人通过神经元控制身体各组织器官，会产生生物电信号，这种信号中载有人的行为信息，能直接反映人的意图。科学家通过解码人体生物电信号，试图识别人的“意念”，进而让机器按人的想法工作——这方面研究已成为人机交互研究的热点之一。目前来说，广泛关注的生物电信号包括肌电、脑电以及眼电等。

研究发现，大多数截肢者都存在一种幻觉，认为因截肢而失去的肢体依然存在，这被称为“幻肢感”。比如，他们可以想象失去的肢体还可以拿取物品，甚至感受到疼痛等。当截肢者通过想象，用他们的幻肢做某一动作时，大脑产生的运动神经信号使得残存的肌肉收缩，产生肌电信号。

由于表面肌電信号蕴含信息丰富，采集技术相对成熟，并且是无创采集，因而受到众多研究者青睐。据了解，表面肌电信号是一种非平稳的微电信号，它一般在肢体运动前30毫秒至150毫秒产生。

中科院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员王卫群解读了识别肌电信号控制假肢的原理：通过贴在肌肉表面的电极片感受肌肉收缩时产生的电信号，进而通过电信号强弱与假肢关节运动量的对应关系来控制假肢连续运动，或者当电信号超过一定阈值时产生关节动作。王卫群说，通过肌电信号控制智能假肢存在的问题在于肌电信号非常微弱且不稳定，如容易受脂肪厚度、出汗、温度、毛发等因素影响。

另外，对于残障人士来说，“意念”控制假肢并不仅仅是安装即用，还要进行较长时间的训练。王卫群说，训练的过程即是建立肌电信号与假肢关节运动的对应关系。“这可以通过建立数学物理模型等方式来实现，但是由于肌电信号及模型的复杂性，需要采集足够的数据样本来训练模型，才能实现肌电信号对假肢的在线控制，因此训练时间较长。”

灵活性仍难以实现

哈尔滨工业大学机器人研究所教授姜力指出，面向残疾人应用的假肢手需要在人体神经信号的控制下工作，因此必须考虑假肢结构与生机接口的性能匹配和功能集成问题。

目前，由于人体运动的神经信息编码不明，现有的大多数生机接口只能输出较少的离散运动模式，特别是对于有效肌肉群少且肌电信号弱的肢残患者来说，难以直接控制具有多主动自由度的灵巧操作结构。同时，与机器人灵巧手相比，假肢手的外形、尺寸和重量还有更加苛刻的要求。因此，如何在生机接口性能约束下以较少的主动自由度再现人手的灵巧运动特性，是智能假肢结构设计需要解决的问题。

王卫群也表示，目前市场上能看到的智能假肢产品还是以单关节为主，与人类肢体的自然运动还有较大差距。“如果要实现更多自由度、更接近人体仿生学的关节控制，还有很远的路要走。”（据南方日报、广州日报）endprint