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移动世界。
世界上最先进的仿生手臂

看到世界上最先进的仿生臂是有点吹。戴着它的约翰尼·马西尼(Johnny Matheny)八年前因癌症失去了左臂。感谢约翰霍普金斯大学的应用物理实验室,他基本上又有了左手。

如果你还没看过这集,去做那个!然后阅读我们对APL研究和探索开发总工程师迈克尔·p·麦克洛克林(Michael P. McLoughlin)的采访——为篇幅和清晰而编辑。它基本上是一个关于仿生学的现在和未来的一站式指南。

让我们从这个开始:强尼的手臂是怎么工作的?

如果我做了截肢手术我想移动我的手或摆动我的手指,大脑会产生这些信号它们沿着神经传递,但一旦它们到达截肢部位,它们就无处可去了因为手不见了。

所以你能做的就是把曾经连接手指的神经,连接到另一块肌肉上。所以现在当我想“移动我的手指”时,我手臂或胸部的一块肌肉就会收缩,我可以测量这种收缩。这种手术叫做定向肌肉神经移植。

医生映射了控制他的手臂的神经,所以他们可以将信号重新推出给他的新手。

有人操作的假体作为一个被截肢者,他们得到了这个过程,然后当他们认为,“移动我的手指,”一小块肌肉的胸部振动,和手臂知道,如果那块肌肉振动或移动时,那意味着它需要移动假肢的手指。实际上,这是一种我们不需要在大脑中植入任何东西就能与大脑沟通的方式。对于一个拥有完整的周围神经系统的截肢者来说——这些神经是从大脑中分离出来的——定向肌肉神经移植是他们控制假肢的一种非常非常直接的方法。

用仿生假体进行定向肌肉神经移植的学习曲线是什么?

直观的控制非常重要。想想你用手做什么,你的手指移动。现在假设我让你控制一个假肢肢体或仿生手臂,并给你一个有点操纵杆的Xbox控制器和一些按钮,我告诉你,“让手臂做这个,好吗?”你很难采取这种想法 - 我们自然地做得非常自然,浓度很少 - 并将其转换为“我如何移动操纵杆?”和“我推动哪个按钮?”

即使是一个有经验的玩家也需要几天(如果不是几周或几个月)的时间才能真正精通游戏。但我们经常这样做。我们移动我们的手,我们拿着东西,我们几乎不去想它。这就是我们真正想要做到的,就是把那种想法,那种直觉的想法,转化成假体的动作,而不需要通过这些中介,不自然的东西。

这项技术使约翰尼能够前所未有地直观地控制他的假臂。

而且我认为这就是为什么许多使用模块化假肢的人说他们并没有将其视为一台机器。他们真的觉得这是他们自己的延伸,因为大脑思考,“移动我的手”,手势以他们期望的方式移动,所以这是一个非常自然的事情。

神经移植和假肢结合在一起意味着截肢者可以做一些事情。他们能感觉事物?

定向肌肉神经移植将一些带来感觉的神经重新连接起来,比如从手指回到大脑。所以现在如果我按下那个神经所在的位置,大脑就会把它理解为,“嘿,我从我的手指那里得到一个信号。”截肢者会说,“我又感觉到我的手指了。”不是“我感觉胳膊或胸膛上有东西”,而是“我感觉到了我的手指”。

现在,模块化假肢有超过200个传感器,而我们只使用了其中的一小部分。我们真正看到的是,在未来,当我们在这方面做得更好,我们与大脑的连接更好,我们能够提供更多的反馈信号。

医生们正在研究如何将手部信号传回约翰尼的大脑。

我总是把它和互联网做比较,因为每个人都了解互联网,对吧?在还没人知道互联网的时候,发送短信可是件大事。今天,如果我们下载高清电影有困难,我们会很沮丧。有了这项技术,我们仍然在发送短信;我们大脑的信息通道非常少。我们仍然可以在这些渠道上做很多了不起的事情,但只要想想当我们开始按比例放大的时候会发生什么,它会以10倍——10倍,10万倍——我们能做的。

这种技术还能解决哪些其他的障碍?不可能只有截肢者,对吧?

所以我们为截肢者和脊髓损伤的人启动了这个项目,但如果你想一下,人们还有哪些其他类型的残疾?中风,肌萎缩性侧索硬化症。这些人到处走动都有困难,他们失去了视力。这些都是由于我们的身体有时不能做我们大脑命令的事实。

我现在有点老了。我仍然可以思考做我20岁时做过的所有事情,但我的身体已经不能再做了。这项技术打开了一个通道,帮助我们帮助身体做那些事情。所以当我们失去行动能力,失去力量,失去视力,失去听力时,我们可以开始替换这些。

如果我们失去了行动能力,失去了力量,失去了视力,失去了听力,我们实际上可以开始替代它们。

已经有了一些值得注意的事情。我们有植入了人工耳蜗的人能够再次听到声音。针对失明的视网膜假体有一定程度的成功。这些还很早期,但我认为所有这些的承诺是我们开始回到大脑。现在我们给人们提供人工膝盖和人工髋关节。很快我们就能给他们更多了。

你为什么从仿生手臂开始?

我们专注于武器,因为手臂非常复杂,如果你想到你的所有事情 - 吃饭和饭菜 - 你需要它们。我们已经解决了轮椅和其他设备的移动问题。但对于不再使用他们的手臂的人来说,他们真的没有太多。这就是这个先进的仿生臂进来的地方。

你能谈谈重建一个更复杂的身体部位并将其连接到大脑所面临的一些挑战吗?

有两个主要挑战。第一个能够确定大脑的意图:你想做什么,你是如何移动手臂的,你是如何定位手的。第二件事是制作一个实际上可以用手复制的设备。所以你想到所有的所有关节,都能够单独移动手指。这是一个非常复杂的系统。当你想到大小与力量时,它也很复杂:我们可以卷曲40,50磅,我们可以拿起一壶牛奶。为了能够将所有这些在一个仍然看起来像人臂的设备中,并且重视与人类臂相同的是一个非常困难的工程挑战。

医生面临着巨大的工程挑战,匹配人类手的复杂性和力量。

所以这基本上是上肢义肢的一个巨大进步。

当你想到下肢假肢所发生的事情时,我们争论的是一个截肢的人是否应该参加职业运动,因为他们的假肢可能会给他们带来不公平的优势。你从来没听过有人对上肢截肢者做出这样的论断。所以我们面临的挑战是,我们如何让人们从戴着钩子的水平提升到他们可以用自己的肢体做类似的事情的水平?

(H)我们怎样才能让一个人从戴着钩子的水平提高到他们可以用自己的肢体做那些事情的水平?

我们希望对上肢假肢进行同样的论点。为了人们说,“这不公平,因为他们有一个假肢。”我们还没有那里,但很多基本技术就在那里。以及我们拥有的一个挑战是,它的人口较小,因此它没有将人们带入下肢研究的业务驱动器,或者对糖尿病患有更大的糖尿病(ED注意:糖尿病可以导致下肢的神经病变,这通常会导致截肢)。

脊髓损伤和截肢似乎不一样。你能谈谈那些不是失去肢体,而是神经通路受损的人的假肢吗?

对于有一个人来说,有一个说,脊髓损伤,他们仍然能够考虑移动他们的手臂,但现在出于某种原因 - 由于身体伤害或疾病 - 信号无法得到大脑到身体。那些神经仍然亮起,他们做出很小的电信号,那些信号只是可以去。信号被捕获。

作为一名电气工程师,我认为这是某处断了的电缆。在这种情况下,我们能做的就是将非常小的电极插入大脑区域,比如说,控制手臂的区域。通过这样做,我们现在能够实际测量这些信号。通过使用计算机算法,我们可以看到大脑的编码,并解释这组模式。这个意思是我要向一个特定的方向伸展,或者我要张开和握紧我的手,或者我要以一种特定的方式抖动我的手指。基本上我们只是填补了这个缺口。这和我们在一些截肢病人身上做的很相似,但是在脊椎受伤的情况下,我们直接进入大脑。

我们想给脊髓受伤的人一个自然移动手臂的能力。不管是手臂就在那个人的旁边,她想要吃巧克力棒,还是手臂在房间的另一边,她想要准备一顿饭,这都无关紧要。

我们想给脊髓受伤的人一个自然移动手臂的能力。不管是手臂就在那个人的旁边,她想要吃巧克力棒,还是手臂在房间的另一边,她想要准备一顿饭,这都无关紧要。它所做的就是让她有机会超越她的身体限制,开始以一种她不能的方式与这个世界互动。如果你问这些病人他们在使用这项技术时在想什么,他们只是说,“我在考虑搬家。我的手臂。“这不是一个机械设备,它是他们自己的延伸。

这里有一个非常令人信服的超越技术的心理因素。

我们在整个项目中的目标是归还失去的东西。伸手拿起食物,这样我们就能喂饱自己,或伸手触摸他人,这种能力对我们所有人来说都是一件大事。想象一下,如果你不能再那样做了,如果你可以和别人交流,和他们说话,但你不能和他们进行身体上的交流,除非他们伸出手来触摸你。当这种能力突然恢复时,你给了一个人移动肢体的能力,或者替换掉失去的肢体的能力,这是一种非常强大的体验。

先进的假肢带来了恢复物理互动的强大能力。

我们经常会有截肢者说,“嘿,我在考虑做一个定向肌肉神经移植手术,我想进来试试手臂,看看它是什么样子的。”所以我们能做的就是把电极放在残肢上。我们在几个例子中看到我们把电极连接起来然后说"好吧,想象一下弯曲你的手肘"几秒钟后,他们就会弯曲手肘。我真的看到过有人哭了。“哦,天哪,我已经5年、10年、20年没能做到这一点了。”这是一种难以置信的力量。简单的事情——弯曲他们的手肘——却对他们产生了巨大的影响。所以你可以想象一下,当我们让他们有能力做我现在正在做的事情的可能性,这对他们意味着什么。

不过,它的手臂看起来不像人的手臂。它看起来很像机器手臂。

当我们开始这个项目的时候,我们想了很多关于制作化妆覆盖物的需要,这样当我看到假体的时候,它就会看起来像我的真手。但我们发现这并不重要。真正重要的是它的移动和功能就像失去的手一样。

事实上,和我们一起工作的很多年轻的军事人员都觉得有一个黑色的机械手臂是件很酷的事情。他们不想让它看起来像一只天然的手臂。但最重要的是,它的功能才是最重要的——它是一只手臂,而不是什么移动的机械设备。人们想要的是流动性和活动范围以及他们所失去的一切。当你回馈社会的时候,那将会是一次奇妙的经历。我们能够治疗的病人都是由不同年龄和背景的男女组成的。

医生们发现,对病人来说,功能性比美观更重要。

您提到上肢义肢的发展受到病人数量少的限制。这个约束改变了吗?

现在真正令人兴奋的是我们已经达到了一个临界点——我称之为临界点——我们已经开发出了所有的基本能力。如果你在10年前尝试做这件事,你必须弄清楚如何制造手臂,如何与大脑交互,以及所有的算法来解释这些信息。但今天我们拥有了所有这些,这使我们能够将这项技术大众化。我们有意将模块化的假肢作为一个开放的装置,这样任何人都可以使用它。例如,我们有一个假肢,你可以为它开发一个应用程序。你可以用假肢做任何你想做的事。所以对脊髓损伤的人来说,并不一定是这样。如果你想在工厂里用它做一些事情,你可以用它来做。我们真正受到限制的只是人们的想象力和参与这项伟大技术的能力。

下一步是什么?该技术何时成为患有患者和残疾人的日常生活的正常部分?

随着技术的发展,这主要是一个投资问题。当我们谈论截肢者时,这是一个相当小的患者群体。一个可以模仿人手的非常复杂的机器人设备要花费几十万美元。为了发展体积和降低成本,你需要有多种应用,超越仅仅是假体空间。(这个市场还没有发展起来。)人们对它很感兴趣,但我们真的需要开发应用程序,我们可以把这项技术用于其他事情,最终降低成本。因此,我们确实需要结合技术的进一步发展,同时也需要投资和商业专长来帮助推动这一进程。

让我和阿尔伯特·吉继续下去的是,我们已经达到了一个临界点,它可以真正爆发,进入家庭,和人们在日常生活中呆在一起。这就是我们现在要跨越的门槛。

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