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机械臂加上触觉可让残疾人行动更自如

2021-06-08 16:58:57 中国航空报 顾晨月

大多数健全人都可以轻而易举地完成简单的日常事务——当他们伸手去拿一杯热咖啡时,他们能够感受咖啡的重量和温度,并以此调整握姿,防止液体洒出。当人的手臂和手部的触觉及运动控制系统完好时,在触碰或者握住物品的瞬间,他们就能感觉已经接触到物体,从而能够自如地开始移动或举起物体。

但是当一个人操作假肢时,这些工作就变得非常困难,更别说是用大脑去控制了。

5月20日发表在《科学》(Science)杂志的论文中,一个来自美国匹兹堡大学康复中心神经工程实验室(University of Pittsburgh Rehab Neural Engineering Labs)的生物工程师小组描述了如何通过增加大脑刺激来唤起触觉,从而使操作者更方便地操作由大脑控制的机械臂。实验中,当在视觉基础上补充人工触觉后,操作者抓取和移动物体的平均时间从20.9秒减少到10.2秒,减少了一半。

论文的联合通讯作者,匹兹堡大学物理医学与康复系(Department of Physical Medicine and Rehabilitation)的副教授Jennifer Collinger说:“从某种意义上说,我们预料到这会发生,但是实验中观察到的程度是我们没想到的。肢体和手部的触觉反馈对我们日常生活中的正常行为至关重要,当这一反馈缺失时,人们的行为能力就会受损。”

研究参与者Nathan Copeland是世界上第一个不仅在大脑运动皮层,而且在大脑体感官皮层(大脑中处理身体感官信息的区域)也植入了微型电极阵列的人。这个阵列让他不仅能通过大脑控制机械臂,还能接收到触觉反馈,与脊髓功能完好的人身上神经回路的运作方式类似。论文中对他的情况进行了描述。

Copeland说:“我已经对刺激产生的感觉以及在没有刺激的情况下执行操作都非常熟悉了。尽管这种感觉不是‘自然的’,能够感觉到压力和轻微的刺痛,但丝毫不会困扰我。我从来不觉得接收刺激信号是我需要去适应的,在执行操作的同时接收到刺激信号,对我而言自然得就像‘花生酱夹果酱三明治’。”(注:花生酱夹果酱三明治是美国人生活中最常吃的食物之一。)

一场车祸中,Copeland手臂受损,于是他加入了一项用以测试触觉运动微电机的脑-机接口(brain-computer interface,BCI)的临床实验,并植入了美国Blackrock Microsystems公司的四块微电机阵列,通常也称作Utah阵列。

这篇论文是在早期的研究基础上的进一步深入。早期的论文首次描述了使用微小的电脉冲刺激大脑的感觉区域,将如何在一个人的手部激发触觉,这种方法甚至对由于脊髓损伤导致四肢失去感觉的人也有效。而这项新的研究中,研究人员将用来自脑部的信号控制机械臂的运动与将信号传回大脑来提供感官反馈结合起来。

在一系列的测试中,脑-机接口操作者被要求从桌子上拿起各种物体并转移到一个较高的平台上。实验证明,加入电刺激产生的触觉反馈后,参与者完成任务的速度是在没有电刺激情况下的两倍。

在新的论文中,研究者希望能在尽可能接近真实世界的环境中测试触觉反馈的效果。

论文的联合通讯作者、匹兹堡大学物理医学与康复系(Department of Physical Medicine and Rehabilitation)的副教授Robert Gaunt说:“我们不希望在任务中去除知觉的视觉成分。即使是恢复有限的、有缺陷的知觉,(残疾)人的行为能力都有了非常大的提升。为了使触觉更逼真,并将这项技术应用于人们的生活,我们还有很长的路要走。但是离重建大脑的正常输入这一目标越近,我们的生活就会越美好。” 

责任编辑:助理编辑

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关键词:
机械臂,科技,残疾人