對于肢體殘障人士來說，希望假肢不僅僅可以實現(xiàn)美觀作用，更可以用“意念”控制,，從而真正達(dá)到“如臂使指”的效用,。美國的DARPA（國防高級研究計劃局）為方便戰(zhàn)場負(fù)傷士兵的日常生活,，十多年前即著手研發(fā)號稱“盧克之手”的仿生假肢,，目前已獲美國食品藥品管理局批準(zhǔn)。英國的i—limb機(jī)械手已進(jìn)入商用,。而中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院科研團(tuán)隊致力于將這類“意念控制”的假肢輕量化,、低價化，目前研究已取得一定成果,，并進(jìn)行了人體實驗,。
那么，人是如何用“意念”控制假肢,？它們和原生肢體還有多大差距,？
如何用“意念”控制假肢
既然是仿生，那么首先就要研究“人是如何操控原生肢體的”,?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，人通過神經(jīng)元控制身體各組織器官,，會產(chǎn)生生物電信號,，這種信號中載有人的行為信息，能夠直接反映人的意圖,?？茖W(xué)家通過解碼人體生物電信號,，從而試圖識別人的“意念”，進(jìn)而讓機(jī)器按人的想法工作——這方面研究已成為人機(jī)交互研究的熱點(diǎn)之一,。
目前來說,，廣泛關(guān)注的生物電信號包括肌電（Electromyography，EMG）,、腦電（Electroencephalography,，EEG）以及眼電（Electrooculography，EOG）等,。
研究發(fā)現(xiàn),，大多數(shù)截肢患者都存在一種幻覺，認(rèn)為因截肢而失去的肢體依然存在,，這被稱為“幻肢感”,。比如，他們可以想象失去的肢體還可以拿取物品,，甚至感受到疼痛等,。當(dāng)截肢者通過想象，用他們的幻肢做某一動作時,，大腦產(chǎn)生的運(yùn)動神經(jīng)信號使得殘存的肌肉收縮,，產(chǎn)生肌電信號。
由于表面肌電信號（Surface EMG,，sEMG）蘊(yùn)含信息豐富，采集技術(shù)相對成熟,，并且是無創(chuàng)采集,，因而受到眾多研究者青睞。據(jù)了解,，表面肌電信號是一種非平穩(wěn)的微電信號,，它一般在肢體運(yùn)動前30—150毫秒產(chǎn)生。
中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實驗室副研究員王衛(wèi)群向南方日報記者解讀識別肌電信號控制假肢的原理：通過貼在肌肉表面的電極片感受肌肉收縮時產(chǎn)生的電信號,，進(jìn)而通過電信號強(qiáng)弱與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動量的對應(yīng)關(guān)系來控制假肢連續(xù)運(yùn)動,，或者當(dāng)電信號超過一定閾值時產(chǎn)生關(guān)節(jié)動作。王衛(wèi)群說,，通過肌電信號控制智能假肢存在的問題在于,，肌電信號非常微弱且不穩(wěn)定，“例如容易受脂肪厚度,、出汗,、溫度、毛發(fā)等因素影響”,。
另外,，對于殘障人士來說,，“意念”控制假肢并不僅僅是安裝即用，還要進(jìn)行較長時間的訓(xùn)練,。王衛(wèi)群說,，訓(xùn)練的過程，即是建立肌電信號與假肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的對應(yīng)關(guān)系,?！斑@可以通過建立數(shù)學(xué)物理模型等方式來實現(xiàn)，但是由于肌電信號及模型的復(fù)雜性,，需要采集足夠的數(shù)據(jù)樣本來訓(xùn)練模型,，才能實現(xiàn)肌電信號對假肢的在線控制，因此訓(xùn)練時間較長,?！?/p>
王衛(wèi)群也指出，訓(xùn)練過程還與假肢復(fù)雜程度有關(guān),。
智能化假肢成研究熱點(diǎn)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所教授姜力等專家今年7月的《機(jī)器人》雜志發(fā)表文章,，回顧智能假肢的研發(fā)歷史。姜力在文章中指出,，假肢有幾百年的發(fā)展歷史,，1948年世界上第一個肌電控制假肢問世，實現(xiàn)了人體神經(jīng)系統(tǒng)對假肢的控制,。此后,，單自由度肌電控制假肢一直占據(jù)假肢手的主流。進(jìn)入21世紀(jì),，隨著生機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展,，假肢進(jìn)入了第二次技術(shù)革命，智能化成為新一代假肢的核心特征,。2010年,，智能假肢被《生命科學(xué)》雜志列為未來的十大創(chuàng)新技術(shù)之一。
在一系列研發(fā)計劃的推動下,，第一代智能假肢問世,。2007年，英國Touch Bionics公司研制成功了世界上首個各手指可獨(dú)立運(yùn)動的多自由度靈巧假肢產(chǎn)品i－Limb,。
繼i－Limb之后,，德國Vincent公司和英國RSL Steeper公司分別于2010年和2012年推出了Vincent假肢手和Bebionic假肢手。2005年起,，美國DARPA啟動了“革命性假肢”計劃,，成為有史以來假肢領(lǐng)域最大的研究計劃，約翰霍普金斯大學(xué)等30多家研究機(jī)構(gòu)參與，相繼推出了“盧克之手”和MPL智能假肢,，其中“盧克之手”2014年通過FDA（美國食品藥品管理局）認(rèn)證,，2016年進(jìn)入臨床應(yīng)用。
“盧克之手”,，顧名思義,，其名稱來自于星戰(zhàn)電影中“天行者盧克”與真手無異的機(jī)器手。它有一套獨(dú)特的肌電算法控制系統(tǒng),，末端傳感器可以精準(zhǔn)采集病人的肌電信號并快速作出響應(yīng),。
國內(nèi)也有類似研究。前述中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李光林研究員及其團(tuán)隊研發(fā)的仿生假肢著力兩個方面改進(jìn)：重量更輕,、成本更低,。它利用3D打印技術(shù)制作，重量僅200克,，遠(yuǎn)低于同類型假肢500多克的重量,，大大減輕了患者的佩戴負(fù)擔(dān)，方便長期佩戴,。另外,，其預(yù)期售價也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。李光林告訴南方日報記者,，其團(tuán)隊經(jīng)過幾年的努力,，在肌電假肢控制穩(wěn)定性、可靠性及假肢設(shè)計等方面有了一些突破,，不過仍有一些技術(shù)細(xì)節(jié)需要完善,。
人體關(guān)節(jié)的靈活性機(jī)器仍難以實現(xiàn)
姜力在文章中指出，面向殘疾人應(yīng)用的假肢手需要在人體神經(jīng)信號的控制下工作,，因此必須考慮假肢結(jié)構(gòu)與生機(jī)接口的性能匹配和功能集成問題,。
目前，由于人體運(yùn)動的神經(jīng)信息編碼不明,，現(xiàn)有的大多數(shù)生機(jī)接口只能輸出較少的離散運(yùn)動模式，特別是對于有效肌肉群少且肌電信號弱的肢殘患者來說,，難以直接控制具有多主動自由度的靈巧操作結(jié)構(gòu),；同時，與機(jī)器人靈巧手相比,，假肢手的外形,、尺寸和重量還有更加苛刻的要求。因此,，如何在生機(jī)接口性能約束下以較少的主動自由度再現(xiàn)人手的靈巧運(yùn)動特性是智能假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計需要解決的問題,。
王衛(wèi)群也表示，目前我們能看到的智能假肢產(chǎn)品還是以單關(guān)節(jié)為主，與人類肢體的自然運(yùn)動還有較大差距,?！澳壳皢侮P(guān)節(jié)和少關(guān)節(jié)的假肢，比如踝關(guān)節(jié)假肢,、少自由度假手等有一些產(chǎn)品,，但是實現(xiàn)更多自由度、更接近人體仿生學(xué)的關(guān)節(jié)控制,，還有很遠(yuǎn)的路要走,。”
自由度用來表示機(jī)械靈活的程度,。以人類為例,，人類的手共有27個自由度：每個手指中有4個，拇指上有5個,，手腕上還有6個——這種高精細(xì)度對于機(jī)器來說仍然難以實現(xiàn),。
另一種思路：直接從大腦讀取信號
2014年，巴西圣保羅的世界杯開幕式上,，29歲的下肢癱瘓病人平托穿戴了由腦信號控制的外骨骼,，為比賽開球。平托的動作,，即來自于智能假肢的另一種思路：通過腦機(jī)接口讀取腦電信號,，操縱機(jī)械肢體。
什么是腦機(jī)接口,？腦機(jī)接口指在人腦和外部設(shè)備之間建立起來的直接通訊通道,。人們常把腦機(jī)接口用于研究、替代,、輔助,、增強(qiáng)、改善或修復(fù)人的認(rèn)知功能或感覺－運(yùn)動功能,。早在上世紀(jì)90年代末,，紐約州立大學(xué)的科學(xué)家即第一次通過實驗證實，利用腦皮層神經(jīng)元集合信號可以控制機(jī)械手臂運(yùn)動,。
王衛(wèi)群在一篇綜述中寫道,，腦電信號作為運(yùn)動意圖的直接反映，具有很強(qiáng)的實時性,，對運(yùn)動意圖的識別也相應(yīng)更為迅速,。目前，腦機(jī)接口的主要手段包含植入式和非植入式兩類,。植入式腦機(jī)接口優(yōu)點(diǎn)是信號采集效果更好,，但有植入手術(shù)風(fēng)險,。而非植入式腦機(jī)接口目前較多采用的是頭部表皮腦電圖信號 （EEG），實現(xiàn)腦和外部世界的簡單通訊,，缺點(diǎn)是信號帶寬有限且抗干擾能力差,。
“目前通過植入式腦機(jī)接口控制多自由度機(jī)械臂已經(jīng)有一些比較好的結(jié)果，比如2012年《自然》雜志發(fā)表了美國布朗大學(xué)的研究成果,，采用植入式腦機(jī)接口技術(shù),，上肢癱瘓患者通過意念控制多自由機(jī)械臂實現(xiàn)喝飲料等日常生活動作?！蓖跣l(wèi)群告訴南方日報記者,，“相對于植入式腦機(jī)接口，肌電尤其是表面肌電使用更為方便一些,，也更安全,，不足之處在于肌電對人體運(yùn)動意圖有一定的滯后，以及存在識別準(zhǔn)確性等問題,。目前,，采用非植入的腦機(jī)接口與表面肌電相結(jié)合來解讀人體意圖的研究，已經(jīng)有一些初步結(jié)果,?！?/p>