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瘫患者的福音:大脑控制的机械手臂即将诞生

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科技传媒网 科技新闻 2016-10-16 10:00

瘫患者的福音:大脑控制的机械手臂即将诞生

瘫患者的福音:大脑控制的机械手臂即将诞生

【腾讯科技编者按】一国外男子内森·科普兰(Nathan Copeland)已经瘫痪在床十年之久,他的小臂和腿部完全没有知觉,科普兰根本没有办法让自己的身体活动。

为了解决这种情况,科学家们在科普兰的大脑中植入了一个电子芯片,并且以此来控制科普兰的触觉。电子芯片通过刺激大脑的某个部位,可以绕过科普兰受伤损坏的脊髓,这样就可以使汤普森产生感觉,并且可以移动身体。

研究人员还特地为科普兰进行了一项测试,他们蒙住了科普兰的眼睛,用机器人的手指来触摸物体,在这些所触摸的物体中,科普兰的正确的猜对了84%的物品。

在不久的将来,瘫痪的人群将会通过一个由人的大脑控制的机器人手臂重新获得知觉。再一次突破性的测试中,当人为的为机器人手指施加压力的时候,28岁的科普兰能够清晰的感觉到自己的手指受到了挤压。

美国的研究人员声称:“这次实验,是全世界范围内第一次对于制造具有感知的假肢的尝试。”

瘫患者的福音:大脑控制的机械手臂即将诞生

这个微小的芯片叫做脑机接口(BCI),把这个芯片植入到科普兰的大脑就可以有效的绕过他之前受伤损坏的脊髓,在这个电信号传递的过程中,通过这个电子机器人胳膊就可以产生感觉,并可以对其进行控制。

当来自匹兹堡大学和匹兹堡大学医学中心(UPMC)研究人员蒙上科普兰的眼睛的时候,用机器人手指来触摸物体,在这些所触摸的物体中,科普兰的正确的猜对了84%的物品。

当对这些安装机器人假肢的人的机器人手指施加压力的时候,他们当中大多数人都会觉得手指有一种挤压感或者是针刺的感觉。

瘫患者的福音:大脑控制的机械手臂即将诞生

当研究人员同时摸他的两根手指的时候,科普兰一下子就笑了起来说:“你们一定是在考验我。”很明显,他能清晰的感受到研究人员在同时摸他的两根手指。

科普兰在一次阴雨天气驾车外出,不幸的发生了交通事故,在这次交通事故中,它被强大的冲击力扭断了脖子,脊髓受伤损坏,这也导致了他胸部以下的位置全部失去了知觉,不得不瘫痪在床。

此后他的生活完全不能自理,他的胳膊和腿完全没有知觉,不能移动,他所有的日常生活都需要专门有人照顾。

这起事故发生的时候,科普兰仅仅只有18岁,还在上大学一年级,他曾经非常努力的想要继续完成他的学业,但是他的身体状况不允许它再继续学业,所以他不得不休学在家。

现在,十年过去了,经过科学家们的不断努力,他这只28岁的手又重新恢复了知觉。

瘫患者的福音:大脑控制的机械手臂即将诞生

来自匹兹堡大学的博士生弗莱舍和他的同事们在科普兰的大脑里植入四个微电极阵列,而每个电极的大小大约只有衬衫纽扣的一半。

在正式的手术之前,研究人员利用了成像技术,对科普兰的大脑进行了十分精确的分析,对每个位置具体应该控制哪根手指或者手掌都进行了详细的测算。然后,科学家们将芯片植入了大脑中控制手指触觉的部位,使科普兰能够拥有触觉。

通过电极刺激这一部位,能够绕过他受伤的脊髓部位的传递,通过这个电信号能够使科普兰右手的四根手指感受到压力和温度的变化。

这种被称为皮层内微刺激技术,实际上就是利用电脑芯片电刺激神经,通过感知来重塑触觉。手术之后,经过一个月的恢复时间,科普兰终于又恢复了知觉。

手术一个月后,科普兰说:“我现在能够感受到我的每一根手指,10年之后重新获得知觉,这真是一个神奇的感觉。”

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他还表示:“这个机器人手指就像是我自己的一样,我不但能够有触觉,甚至还能够完成推东西等一系列简单的动作。”

科普兰现在能够感受到压力,并且在一定程度上能够感受这些刺激的强弱,尽管他能够对强弱有一个感知,但是这个机器人手臂还不能够判断出温度是过高还是过低。

匹兹堡医学院的神经生物学教授,研究的合作者安德鲁·施瓦茨(Andrew Schwartz)说:“在这项研究中最重要的结论是:感觉皮层微刺激可以引起自然的感觉而不是刺痛。”

目前来讲,这种刺激是非常安全的,而且能够持续几个月的时间,但是,现在还是需要进行更多的研究与尝试来了解更多的刺激形式,并通过这些刺激来更好的帮助那些残疾人恢复知觉和活动的能力。

大脑芯片是利用电刺激神经,重现触觉的,尽管这项技术已经在动物身上显示出了非常良好的效果,但是,在人类身上,如何让这些人造的肢体像人真实的肢体一样活动仍然是目前需要大力研究的方向。

触摸是手的一个基本功能,尽管目前已经通过科学技术,利用脑机接口控制假肢,但是触摸的感觉仍然是难以捉摸的。

该项目的整个研究团队已经对这个脑机接口进行了超过四年的研究。他们试图让一个四肢瘫痪的女性通过大脑来操控机器人,与此同时,他们还希望让一个已经瘫痪的男人,能够产生触觉,并且用手来抚摸他的女朋友。

但是,我们的胳膊移动并且和我们周围的事物进行互动的方式并不仅仅是依靠人类的思考和简单的移动正确的肌肉群而已。因为我们正常的手臂,通过触摸可以轻而易举的分辨这个东西到底是土豆还是西红柿,而这绝不不只是依靠简单的思考和肌肉移动就可以做到的。

我们从触摸的感觉接收的恒定反馈才是整个过程的关键,因为这个反馈会告诉大脑我们的胳膊应该在哪里移动和应该移动多少。

脑机接口的下一步就是要尝试和发展这一种触觉体系。由Blackrock Microsystems开发的微电极阵列及其控制系统以及由约翰霍普金斯大学的应用物理实验室建造的机器人臂的结合,形成了我们现在所看到的机器人手臂。

Gaunt博士说:“目前所开展的一切工作都是基于大脑现存的功能,一些对于外界的自然反应,与此同时,大脑还存在一种能够回忆起之前发生过,但是早已经过去的事情。”

Gaunt博士还表示:“我们最终的目标就是想要创建一个就像真实的手臂那样的具有触觉并且完全可以活动的机器人手臂。虽然,要达到那样的目标还需要很长的路要走,但是很显然,机器人手臂的诞生已经为我们开了一个好头。”

(编译/寅木)

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原文链接:http://www.itmsc.cn/archives/view-127467-1.html
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(责任编辑:夏喧)

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