仿生肢体让患者获得真实感知能力
发布时间: 2024-12-04 11:16:12
皮质内植入物帮助英柏瑞控制机械手臂。图片来源：《自然》网站
几十年来，科学家一直致力于恢复四肢缺失或瘫痪人士的行动能力，然而，现有的仿生肢体并非尽善尽美。美国匹兹堡大学生物工程师罗伯特·冈特表示，要想真正恢复患者的运动能力，关键在于恢复他们对触觉和温度的感知功能。
英国《自然》网站在近日的报道中指出，科学家目前正竞相赋予仿生肢体的真实感觉。为此，他们在工程技术领域不断钻研，对感觉运动系统的理解也日益深入。也有专家提醒，在追求技术突破的同时，人们还应关注脑机接口和高科技假肢涉及的伦理和安全问题。
编码数据传递触觉
科学家目前正致力于让患者体验到真实的感觉，但这条研究之路并非坦途，仍有许多难题亟待攻克。首要挑战之一是需要编码海量数据。
瑞典查尔姆斯理工大学神经工程师贾科莫·瓦莱解释道，当人们触摸物体时，皮肤上不同的感觉神经元会对物体的形状、压力和质地进行编码。瓦莱一直致力于解码这些神经信号，并尝试通过身体的感觉神经直接将这些信号传递到大脑，让患者重新拥有触觉。
在美国芝加哥大学做博士后期间，瓦莱与截肢患者斯科特·英柏瑞携手合作。1985年，一场车祸让英柏瑞的3块椎骨粉碎性骨折，70%的脊髓被切断，他的感觉和行动能力因此大打折扣。
瓦莱团队的最新研究成果显示，通过植入电极，他们成功地让英柏瑞感受到了触摸某一形状边缘的微妙感觉，甚至让他体验到了指尖拖动物体的细腻动作。他们表示，这项技术将让患者能够用仿生手更自如地操纵和检测物体，或用仿生腿获得更佳的平衡感和步态。
瑞士洛桑联邦理工学院神经工程师苏莱曼·苏库尔等人则正积极探索恢复患者辨别温度能力的途径。他们通过热装置刺激上肢截肢患者剩余肢体的神经，让其佩戴机械手感受到了从温暖到凉爽的奇妙变化。
合成技术恢复运动能力
美国麻省理工学院工程师休·赫尔认为，最重要的是，让患者感觉假肢就像是自己身体的一部分，而不仅仅是仿生的人造装置。
为了实现这一目标，赫尔及众多科学家正致力于将人体多种组织，如肌肉、肌腱、骨骼和神经，与先进的合成技术相结合，以期将人机融合推向全新高度。
赫尔团队与波士顿布莱根妇女医院携手开发出一种方法，通过再生截肢腿残余部分的神经来恢复感觉输入。该方法首先会取下患者一小块脚跟皮肤，然后通过精细的手术将其与残肢的感觉神经连接。接下来，这块皮肤移植物会与肌肉-计算机接口相连，该接口通过肌肉的收缩来激活感觉神经。当肌肉收缩并对皮肤施加压力时，患者便能感受到脚跟仿佛被撞击了一般。该方法最初在大鼠身上进行了实验并取得了成功，目前正开展人体临床试验。
电子皮肤备受关注
在为假肢赋予真实感觉方面，人造皮肤备受关注。美国斯坦福大学的工程师鲍哲南表示，电子皮肤融合了神经科学与工程学领域的最新技术，有望大大拓展假肢的功能。
科学家不遗余力地研发外观和感觉都像皮肤的人造材料。这些材料不仅能敏锐地捕捉环境中的信息，还能生成信号，与神经系统直接“对话”。此外，也有少数实验室致力于提高电子皮肤各个组件的性能。这些组件包括环境传感器、能将感觉信号转换为数字输出的微电路，以及连接传感器与外周神经的电子接口。
美国约翰斯·霍普金斯大学神经工程师尼蒂什·塔科尔在电子皮肤研究领域深耕数年。他认为，人造皮肤领域要想取得质的飞跃，必须在两大领域实现突破。一方面，在纳米材料和电子领域，需要制造出柔性有机晶体管，让它们成为皮肤内的触觉“接收器”，并在受损时能够自我修复。另一方面，在神经科学领域，相关材料能将感官信息转换为数字数据。
鲍哲南对使用“超越人类能力”的电子皮肤充满了期待。她参与的一项研究显示，电子皮肤紧密包裹的机械传感器，能够一次性读取盲文中的整个单词，而非逐个字母地识别。想象一下，其他类似传感器或许能让患者轻松知晓物体的化学成分。
伦理和安全问题值得警惕
尽管脑机接口、神经假体和电子皮肤等领域的进步令人瞩目，但这些尖端技术要想真正被用于改善患者的日常生活，还有很长的路要走。
这些技术成本高昂，需要繁琐且耗资巨大的实验室操作。目前尚不清楚这些设备何时能供患者轻松使用。
美国神经科学网络执行董事珍妮佛·芬奇表示，患者当前面临的最紧迫的问题集中于伦理和安全领域：这些设备由谁来安装？卫生服务部门如何决定这些设备的费用？此外，当设备发生故障或设备制造商破产时，患者可能将面临植入物不受支持或无法工作的困境。
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