生化机械人上市开卖喽

随着组件越来越快、越来越好、越来越强，智能仿生时代终于到来了。朱利安·史密斯报道。

阿富汗被挖掘出一条腿五年后，退休的美国老兵迈克·麦克诺顿已经跑得足够好，可以指导他11岁儿子的足球队。当然，这种奇迹般的恢复是由于他决心再次站起来，但这也是由于一种高科技设备:这是一个电脑控制的液压膝关节，可以监测和调整与毫秒反应速度的步伐。“我现在可以和孩子们全速奔跑，和他们一起踢足球，”他说。

自第二次世界大战以来，假肢并没有多大的进步，残疾人已经用它生活了几十年。最后，他们希望拥有逼真的假肢，可以从实验室预测人体运动。然而，可靠和舒适的产品，如麦克诺顿的假肢，只是智能仿生时代的开始。

新的假肢技术不仅有望带来更大的强度和灵活性，还能感知压力的人造皮肤，甚至能在人体上“生长”并由思维控制的假肢——其中大部分都可以在五年内实现。被截肢者更快、更强有力的康复将很快成为现实。随着实验性假肢与人体肌肉、骨骼和神经系统的结合越来越好，“断肢”的概念已经过时。

(上图)截去双臂的克里斯蒂安·坎德鲍尔正在展示假肢的逼真程度。

(上图)休·赫尔是麻省理工学院媒体实验室的一名智能仿生研究员，他本人也是一名双下肢截肢者，致力于人体和机械的整合。

“这可能是高级假肢研究中最激动人心的时期，”马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的约翰·毕格罗说，他正在研究大脑控制的机器人手臂。

毕格罗说，智能仿生技术的兴起有很多原因。组件被做得更小更强，这样一个肢体就可以容纳前所未有的硬件。然而，随着糖尿病发病率的上升，这可能导致神经和血管损伤，以及中东受伤士兵人数的增加，美国截肢者越来越多。所有这些因素促使智能仿生技术的投资空前增加。

这股热潮的早期成果已经进入市场。不到30，000美元，因疾病或受伤失去一条腿的病人可以得到一个类似麦克诺顿的假肢，配有“智能”软件，可以学习用户的步态并适应地形变化。类似的产品包括德国奥托布洛克假肢公司的C-Leg和麦克诺顿的冰岛索瑟公司的Rheokney。他们都使用液压系统和马达来减轻病人的负担，并使用碳纤维来模拟骨骼和肌腱的弹性。

假脚曾经是设计中最困难的部分。健康人的足部和脚踝肌肉可以在任何时候根据需要增强或减缓压力，而肌腱的弹性使我们在行走时消耗最少的能量。然而，下肢假肢使用者“走得更慢，消耗更多代谢能量，甚至在平地上也更不稳定，”麻省理工学院生物力学技术研究组主任休·赫尔说，他也是一名双下肢截肢者。为了解决这个问题，赫尔的团队设计了一种名为“我的脚动力脚一号”的仿生脚，它使用一个电动马达和一个腱状弹簧来推动使用者前进或减慢他的速度。它由两个微处理器和六个传感器控制，监控脚踝的位置和压力。

智能仿生手臂

上肢假肢的发展滞后。部分原因是手臂截肢没有下肢频繁。另一个原因是手臂比腿小，运动范围更广，所以假肢很难容纳足够的硬件来模拟真实的手臂。新的小型化设备促进了这一领域的进步。

位于英国西洛锡安郡利文斯顿的触觉仿生义肢，可能是目前最小最强大的产品。这是一只轻型塑料手，每个手指都有一个独立的电机，它可以根据安装在用户另一部分皮肤上的两个传感器接收到的信号独立工作。传感器接收“肌电”信号——一种引起肌肉收缩的电脉冲。当用户想要移动他的“手”时，一些特定的肌肉将会紧张，并且假体将根据预定的程序做出相应的抓握动作。例如，用拇指和食指握住钥匙的动作，以及用食指指向的动作。这种手也以拥有“停车感应”功能而自豪，也就是说，它在完全抓住物体后不会继续施力。

根据一位因先天性神经缺陷而失去左手的用户约翰·德曼的说法，人们经常把他的带有逼真硅胶“皮肤”的i-Limb当成一只真手。然而，一些用户，尤其是军队中的用户，更喜欢暴露“终结者”内部机器，所以公司现在也提供透明涂层产品。(翻译也忍不住想要一个，嘿嘿；校对者惊讶地发现翻译也想要一个。)

整个智能模拟臂也在开发中。卢克手臂是由位于新罕布什尔州曼彻斯特的迪卡医疗技术公司的赛格威电动汽车的发明者迪恩卡门开发的。由美国国防科学技术工业委员会(DARPA)资助:美国国防科学技术工业委员会(DARPA)已承诺投资5000万美元用于科学研究，以开发智能仿生武器，这种武器由思维控制，因为越来越多的返回士兵在伊拉克和阿富汗遭到轰炸和伤残。

卢克手臂是受《星球大战》电影中卢克·天行者的智能模拟手启发而开发的。它允许用户握手、扭钥匙和开锁，还可以像捡咖啡豆一样做一些精细的动作。它是由肌电信号传感器控制的，或者是由穿在鞋里的可定制的鞋底控制杆控制的。触觉信号被反馈到靠近用户皮肤的小型振动马达。当握力增加时，其振动频率也会增加。

(照片)斯科特·瑞斯比是一名被截肢的铁人三项运动员，他拥有用于游泳、骑自行车和长跑的假肢。

尽管这些装置如此先进，但要建造一个完美的假肢仍有许多障碍需要克服:只有当假肢与使用者的骨骼和神经系统直接结合时，除了材料是金属和塑料之外，它才能与真正的假肢完全相同。

具有传感功能的高度仿真人工皮肤是人机一体化假肢制造中不可缺少的一步。目前，最好的表面覆盖层，或“装饰层美容”，在保真度上相当惊人，有毛孔和头发，但还没有触觉反馈。美国国家航空航天局、橡树岭国家实验室和美国国家航空研究所(NIA)已经开发出一小片带有内置触觉传感器的轻质软装饰层。

电子触摸

人造皮肤由坚韧、轻质、柔软的凝胶状聚合物制成。单壁碳纳米管嵌入其中，赋予它们压阻——也就是说，它们在受到压力时会改变电阻。人造皮肤可以通过测量纳米管层的电阻变化来感知压力和接触类型，如刷牙或轻拍。NIA研究人员Cheol Park说，这与人类皮肤的敏锐感觉相去甚远，但“这只是一种简单的检测功能，加上温度检测，对许多截肢者来说已经取得了长足的进步”。研究小组现在正致力于将这些信号传递给用户的神经和大脑。同时，尽量提高材料的灵敏度。

对于人们来说，还有一种更现实的方法来建造肢体，那就是永久性地或者至少是半永久性地安装它们。今天，即使是最好的设计也是可穿戴的，而不是可植入的。这会带来一系列的问题:关节会被汗水浸湿或擦伤，稍有放松就会导致控制失败并消耗体力。一些研究人员认为，与其拉紧带子，不如直接将假体固定在骨头上？在瑞典哥德堡的萨尔格伦斯卡师范大学医院，里卡德·布伦马克带领一群整形外科医生正在使用最初为牙科植入物开发的技术测试这种系统。他们在大腿或上臂的残留骨头上植入钛延长物，留下2厘米长的支柱从皮肤中伸出来安装假肢。这种无袖系统意味着假体易于组装和拆卸，并且不会影响大关节的运动。

该系统正在试用中，用户反映他们的移动性和舒适度都得到了改善。他们也可以更长时间佩戴假肢。然而，支柱周围的感染问题仍然存在，额外的负荷可能会损坏受伤的残余骨。

一个英国团队最近宣布他们已经找到了感染问题的解决方案。钛植入物的一部分被制成可渗透的，这可以促进支柱周围的皮肤、肌肉和骨骼的生长，从而使其融入身体。该植入物的设计者、伦敦大学的戈登·布朗恩说，这“包裹了界面以防止感染”。

人机一体化假肢研究的下一步是与神经系统的直接连接。这意味着重叠大脑信号，实时解码并传输到假肢。传感信号也从假体传回到神经中心。

毕格罗的研究团队正致力于机器人Proto 2的新设计，以实现这一愿景。这只手臂又轻又壮，它的“骨架”是由碳纤维和高强度合金制成的，配有25个马达和相应的微处理器，因此它能最大限度地实现真手的灵活性和敏捷性，并使真手的大部分动作得以实现。该团队还在开发一种大米大小的无线设备，可以植入假肢附近的肌肉。当肌肉收缩时，植入的肌电图传感器发出信号来指导假肢的运动。

该团队还在试验更直观的假肢控制方法，包括芝加哥康复研究所的托德·奎肯开发的一种叫做目标肌肉神经移植的技术。这项技术是将受伤肢体的残余神经移植到胸肌中。这部分神经用来指挥手臂，所以当大脑移动手臂时，这些神经会引起胸肌的某些收缩。因为胸肌相对较大，这种特定收缩产生的电信号可以被识别出来，驱动假体移动。Kuiken去年记录了一个成功的案例，一名接受手术的妇女现在可以像真手一样使用假肢。“我一想到要摸我的手和胳膊肘，它们就动了，”她说。

病人的最终需求是用大脑直接操纵假肢和接收感觉信号。约翰霍普金斯大学的Nitish Thakor领导的实验表明，这在理论上是可行的。在实验中，志愿者戴着装满电极的帽子来检测大脑的电活动，只需要集中精力操作一个机械手。用户的意图由脑电图(EEG)信号表示，该信号在处理后用于控制手。Thakor说，这种非侵入式系统的反应速度和活动范围仍然有限，但预计它将与侵入式系统(如直接植入大脑的电极)协同工作。

2008年1月，北卡罗莱纳州达勒姆市杜克大学的米格尔·尼科莱里斯和他的同事们训练了一只猴子，让它用大脑来控制机器人，在这一领域迈出了一大步。他们在名为Idoya的恒河猴大脑的主要运动区和体感皮层区植入了电极。当她移动腿时，这些区域是活跃的。然后他们把伊多亚放进一个设备里，然后通过互联网把她的大脑信号从杜克传送到日本京都的一个机器人。她可以在显示器上看到机器人。当伊多亚走的时候，机器人也走了，但是当设备被关掉的时候，她仍然让机器人只靠她的思维走了三分钟。

思维驱动

尼科莱利斯希望这项技术能帮助他站起来。他的团队也在开发全身外骨骼。这种控制技术也可以应用于安装假肢。他说:“有一天，我们可以转移大脑指令，并将它们直接连接到病人的四肢。”无论是假肢还是功能受损的假肢。

精神控制技术的其他进展包括由马萨诸塞州福克斯伯勒的赛博动力公司设计的名为“大脑门”的神经接口的试用。BrainGate让一个24岁的四肢瘫痪者能够玩游戏，移动电脑光标，并通过植入大脑表面的电脑芯片控制机器人手臂。三家美国医院正在招募患者参与该系统的早期试验。Thakor的实验室计划明年进行第一次人体植入控制的人工手臂测试。

(照片)有了如此美丽的外表和即将实现的思维控制，假肢有一天会成为优势吗？

看来精神控制的实现已经不远了。我们将很快拥有不仅功能强大、重量轻而且易于操作的假肢。它们甚至比真正的四肢更强壮、更快。如果假肢超越了我们的自然肢体，会发生什么？

当南非短跑运动员奥斯卡·皮斯托瑞斯，一个双下肢截肢者，用弯曲的碳纤维“刀片”跑步时，险些失去北京奥运会的参赛资格(一个健康的人)，这个问题成为头条新闻。体育官员早些时候指出，他的假肢在生物力学方面给了他不公平的优势——赫尔和其他人反对这个结论。

“将来制造出比真正的假肢更好的假肢当然是可能的，”赫尔说，“尤其是在跑步方面。”赫尔设计了他自己的攀登脚，适合抓住小边缘或楔入裂缝。他说他现在能爬上比在事故中受伤之前更难的路线，但是他很快意识到训练变得更加困难了。i-Limb手的发明者大卫·高也认为，假肢将与健康的肢体激烈竞争，不仅更强壮、更快，而且更美观。

如果整容手术发展到让人们拥有完美的手和脚，从而变得像迈克尔·菲尔普斯一样强大，或者像维多利亚时代的秘密内衣模特一样美丽，世界会是什么样子？今天，所有这些看起来都有些牵强，但并非完全不可能。“那时，我们整个社会必须发展一套全新的道德和行为准则，不是吗？”高说。

朱利安·史密斯是一名独立的科学作家，目前居住在俄勒冈州的波特兰。

[:章鱼说:“最好加上这个故事。”故事就在这里，“科比叔叔，我爱你(科比的回答)”。