来源：科学焦点 Science Focus
美国克利夫兰诊所是世界最著名医疗机构之一，近日，克利夫兰诊所领导的国际研究团队开发了仿生系统（Bionic System），并且将该系统应用在了义肢上，研制出了灵活敏捷的仿生义肢，并且佩戴者在使用过程中能通过仿生义肢感受到触觉，将彻底改善截肢患者的生活。加拿大阿尔伯塔大学和纽布伦斯威克大学也参与了这项研究。
01 有触觉，更灵活的义肢
“我们运用复杂的仿生系统改进了一种标准的护理义肢，使佩戴者能够更直接顺畅地移动义肢，而且在使用义肢的过程中，佩戴者可以感受到触摸和运动的感觉，”该研究的首席研究员、克利夫兰诊所勒纳研究所生物医学工程系副教授保罗·马拉斯科（Paul Marasco）表示，“这项研究对于帮助截肢患者完全恢复手臂功能具有非常重要的意义。”
仿生系统是第一个在义肢中同时测试神经机器接口中感觉和运动功能的系统。
神经机器接口与佩戴者的肢体神经相连，当患者想要使用或移动义肢时，神经机器接口能使患者从大脑向义肢发送神经脉冲，并接收来自环境的物理信息，然后通过神经将其传回大脑。
人工手臂的双向反馈和准确控制使佩戴者在完成同样的任务时，能达到与普通人相似的精确度。
“最让我们兴奋的是，佩戴者在使用仿生义肢的过程中，可以像普通人一样做出判断、决定、计算并纠正错误，”仿生集成实验室的负责人马拉斯科表示，“有了这种新的仿生义肢，佩戴者仿佛拥有了一只真实的手。以往，截肢患者和普通人的大脑思考以及行为模式非常不同，但现在，一切迎来了转机。”
02 能产生触觉的触摸机器人
研究人员为两名上肢截肢的实验参与者佩戴了新型仿生义肢，并测试他们的反应。
在实验过程中，这两名参与者会经历两个过程：定向感官再支配和定向运动神经再支配，这两个过程分别对应触觉和运功功能，过程中仿生义肢通过将截肢的神经重新定向到剩余的皮肤和肌肉来建立神经机器接口。
在定向感官再支配的过程中，仿生义肢连接身体的一端会使用小型触摸机器人来触摸皮肤，然后再将其映射到义肢的手指上。
当义肢上的传感器触摸到实物时，传感器会将信息传递给触摸机器人，触摸机器人再根据信息触碰皮肤的再神经。进而使截肢患者感受到触觉，感觉仿生义肢仿佛是真实的手。
反过来，在定向运动神经再支配的过程中，当患者想移动四肢时，神经向义肢传递信息，进而操控义肢活动。
此外，小型触摸机器人会振动肌肉中的动觉感受器，这有助于义肢佩戴者感觉他们的手和手臂在移动。
03 改变截肢患者的思考方式
佩戴仿生义肢时，参与者完成了一些日常生活中需要用到手和手臂的行为。
研究人员利用最新的高级评估工具，同时比较了普通人、佩戴传统义肢的截肢患者以及佩戴仿生义肢的截肢患者活动的情况。
根据马拉斯科的说法，由于使用传统义肢的人无法感觉到义肢，他们在日常生活中的行为与普通人不同。例如，传统义肢的佩戴者在使用义肢时必须不断观察，而且他们很容易用力过猛或者不足。
在使用了仿生义肢后，研究人员观察到，参与者的思考和行为都发生了改变，变得和普通人的思考和行为很相似。
他们不再需要盯着义肢，甚至不用看也能操控义肢找到东西，在使用过程中犯错，也能很快纠正。
“在过去的一二十年里，义肢技术的进步逐渐改善了佩戴者的生活，”马拉斯科表示，“而当研制出仿生义肢后，上肢截肢患者第一次能够像健全人一样‘思考’，并且灵活地操作义肢，完成生活中的琐事，也许不久的将来，义肢佩戴者就能重返昔日的生活。”
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参考信息
[1]https：//www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210901142659.htm
[2]https：//newsroom.clevelandclinic.org
[3]https：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf3368
