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原文见,译者,山寨盲流。其他译作,

拥有了更快更好更强的元件,智能仿生的时代终于来临了。Julian Smith报道。

在阿富汗被地雷炸掉一条腿五年以后,美国退役老兵Mike McNaughton已经能够跑起来,足以胜任他11岁儿子所在足球队的教练了。如此神奇的康复当然要归功于他重新站立的决心,但同样也有一种高科技装备的功劳:这是一个计算机控制的液压膝关节,它能够以毫秒级的响应速度监测和调整步伐。“我现在可以和孩子们一起全速奔跑,和他们一起踢球,”他说。

假肢自从二战以来就没有多少改进,肢残人士将就了好几十年,终于盼到了能够预测人体动作,而且栩栩如生的假肢从实验室里面世。然而像McNaughton的假肢这样可靠和舒适的产品,还仅仅是智能仿生时代的开始。

新兴的假肢技术不但有望带来更大的力量和灵活性,而且还有能感知压力的人造皮肤,甚至还有“长”在人体上,由思维控制的假肢--其中多数五年之内就能实现。截肢患者更快更强的康复将很快成为现实。随着试验性的假肢与人体肌肉,骨骼和神经系统的集成越来越好,“丧失肢体”这个概念就快要过时了。


(上图)双臂截肢的Christian Kandlbauer在展示假肢可以做得多么逼真

(上图)麻省理工学院媒体实验室的智能仿生研究员,自身也是双下肢截肢者的Hugh Herr,致力于融合人体与机械

“现在可能是先进假肢研究中最激动人心的时期,”马里兰州巴尔的摩Johns Hopkins大学应用物理实验室的John Bigelow说,他正在研究大脑控制的机械手臂。

Bigelow说这场智能仿生技术热潮有许多原因。元器件做得更小更强,使得一条肢体可以装下空前多的硬件。而随着会引起神经和血管损伤的糖尿病患病率的上升,以及中东美军伤员的增加,美国的截肢患者越来越多。这些因素都促使投入智能仿生技术的投资空前增加。

这场热潮的早期成果已经进入市场。花费不到30000美元,因病或因伤失去一条腿的患者就能得到一条McNaughton那样的假肢,配上能够学习使用者的步法并适应地形变化的“智能”软件就圆满了。同类产品包括德国Otto Block假肢公司的C-Leg,以及McNaughton用的冰岛Össur公司的Rheo Knee。它们都利用液压系统和马达来减轻患者负担,利用碳纤维来模拟骨骼和肌腱的弹性。

假足曾是设计中最棘手的部分。健全人足部和踝部的肌肉,能随时根据需要对受力进行加强或阻尼,而我们肌腱的弹性使我们行走时消耗能量最少。而下肢假肢使用者“即使在平地上走得也更慢,更消耗代谢能量,也更不稳定”,麻省理工学院生物机械技术研究组主任Hugh Herr,自身也是双下肢截肢者,如是说。为了解决这个问题,Herr的小组设计了一种名为iWalk PowerFoot One的仿生脚,它使用一个电动马达和类似肌腱的弹簧来推动使用者前进或使其减速,由两个微处理器控制,还有六个传感器监测脚踝的位置和受力。

智能仿生手臂

上肢假肢的发展反而有些滞后了。部分原因是手臂截肢病例不如下肢那么多,另一个原因是手臂比腿小,运动范围却更广,所以假肢要容纳足够模拟真实手臂的硬件比较难。而新出现的小型化器件推动了这方面的进展。

位于英国西Lothian郡Livingston的Touch Bionics公司的i-Limb可能是目前最小,功能最强的产品。这是一种轻巧的塑料手,每个手指都有单独的马达,可以根据装在使用者另一部位皮肤上的两个传感器接收到的信号独立动作。传感器接收的是“肌电”信号——引起肌肉收缩的电脉冲。使用者要动“手”的时候,某些特定的肌肉会紧张,假肢就按照预定程序做出相应的抓握动作。例如用拇指和食指拿钥匙的动作,还有用食指指点的动作。这种手也以拥有一种“停车感应”功能而自豪,也就是当充分抓紧物体以后不会继续施力。

根据一位由于先天的神经缺陷失去左手的用户John German所说,人们经常把他带有逼真的硅胶“皮肤”的i-Limb当成真手。不过有一些用户——特别是军队里的——更喜欢把“终结者式”的内部机械露出来,所以公司现在也提供透明包覆的产品。(译者忍不住也想要一个,嘿嘿;校对者看到译者也想要一个,大惊。)

整条智能仿真手臂也在发展之中。Luke Arm是由Segway电动车的发明者Dean Kamen在新罕布什尔州Manchester的Deka医学技术公司研发出来的。由美国国防科工委DARPA资助:因为在伊拉克和阿富汗被炸残肢体的回国军人人数日益增长,DARPA承诺投资五千万美元科研经费,以期研发出由思维控制的智能仿生手臂。

Luke Arm是受到星球大战电影里天行者Luke的智能仿真手的启发研制而成,它让用户可以握手,拧钥匙开锁,能够做到像捡起一粒咖啡豆这样精细的动作。它由肌电信号传感器控制,或者用一个穿在鞋子里的可定制脚底操纵杆控制。触觉信号反馈到一个紧贴使用者皮肤的小型振动马达,当握力加大时,它的振动频率也会提高。

(图)截肢铁人三项运动员Scott Rigsby拥有用于游泳,自行车和长跑的假肢

尽管这些器件已经如此先进,要造出完美的假肢,还有许多障碍有待克服:只有造出与使用者的骨骼和神经系统直接结合,能够做到除了材质是金属和塑料以外,其他方面完全和真实肢体一样的假肢才算完美。

有感知功能的高仿真的人造皮肤是制造人机一体假肢不可或缺的一步。目前最好的表面覆盖层,或叫“装饰层cosmeses”,逼真程度已经相当惊人,带有毛孔和毛发,不过还没有触觉反馈。美国太空总署NASA,橡树岭国家实验室和国家航天研究所(NIA)已经研制出了小片内置触觉传感器的轻薄柔软的装饰层。

电子触觉

合成皮肤由一种强韧,轻巧又柔软的胶质聚合体制成。内部嵌入单壁碳纳米管,赋予其压阻性——就是受到压力时会改变自己的电阻。人造皮肤通过测量纳米管层的电阻变化,就能够感知所接触的压力和类型——比如说是拂过还是叩击。NIA研究员Cheol Park说这离人体皮肤的敏锐感觉还差得远,不过“就仅仅是这么简单的探测功能,再加上温度探测,对许多截肢患者而言已经是突飞猛进了”。这个研究组现在正在致力于把这些信号传导到使用者的神经和大脑。同时也尝试提高材料的敏感度。

还有一个让人造肢体更逼真的办法是永久性安装,或者至少是半永久性。今天即使是最好的设计也是穿戴式的,而不是植入式。这会带来一系列问题:连接部位会被汗水浸泡或者擦伤,一点点松弛就会使控制失灵并耗费力量。某些研究者在考虑,与其把带子勒得更紧,还不如直接把假肢装在骨骼上?瑞典Gothenburg的Sahlgrenska师范大学医院中,Rickard Brånemark率领一组整形外科医师,正在利用原先为牙科植入术发展的技术,测试这样一种系统。他们在大腿或者上臂残留骨骼上植入钛制延伸物,留下2厘米长的支杆伸出皮肤,用来安装假肢。这种免套系统意味着假肢将易于装卸,而且不影响大关节的动作。

这个系统正在试用中,用户反映他们的机动性和舒适性都得到改善,这种假肢他们也可以佩戴更久。但是支杆周围的感染问题仍然存在,而且额外的荷载有可能损坏已经受伤的残留骨骼。

一个英国小组最近宣布他们找到了一种解决感染问题的方法。把钛制植入体的一部分做成可渗透的,这样就可以促使皮肤,肌肉和骨骼围绕支杆生长,从而使之融入身体。这样就“包裹住交界面来防止感染”,这种植入体的设计者,伦敦大学的Gordon Blunn这样形容。

人机一体假肢研究的下一步是与神经系统的直接连接。这意味着要搭接大脑信号,实时解码后再传给假肢。传感信号也得从假肢传回神经中枢。

Bigelow的研究组正致力于让一种新设计的机械手臂Proto 2实现这一设想。这条手臂既轻巧又结实,其“骨骼”由碳纤维和高强度合金构成,带有25个马达和相应的微处理器,让它能够最大程度地达到真手的灵活性,敏捷性,做出真手绝大多数动作。小组同时也在研发米粒大小的无线设备,可以植入靠近假肢的肌肉内。肌肉收缩时,这种植入式肌电传感器就发出信号指挥假肢的运动。

这个小组还在试验更直觉化的假肢控制方式,其中就有一种由芝加哥康复研究所的Todd Kuiken研发出来的叫做目标肌肉神经移植术的技术。这种技术是把受损肢体的残留神经移植到胸肌内。这部分神经原先是指挥手臂的,所以当大脑要移动手臂的时候,这些神经会使胸肌发生某种特定的收缩。由于胸肌相对较大,这种特定的收缩所产生的电信号就能够被识别出来,驱动假肢运动。Kuiken去年记录了一个成功案例,一位接受手术的女士现在可以像真手一样运用假肢。“我一想到要动动手和肘,它们就动了,”她说。

患者最终的需求是要用大脑直接操纵假肢和接收感觉信号。约翰.霍普金斯大学Nitish Thakor领导的试验说明这在理论上是可行的。在试验中,志愿者戴着插满探测脑电活动的电极的帽子,只需要集中精神就能操作一只机械手。使用者的意图表现为脑电图(EEG)信号,处理后用来控制手。Thakor说这种非侵入性系统在响应速度和运动范围上还比较有限,不过将来可望与直接植入大脑的电极等侵入性系统协同发挥作用。

2008年一月,北卡罗来纳州Durham市杜克大学的Miguel Nicolelis和同事们训练一只猴子用大脑控制一个机器人,在这一领域跃进了一大步。他们在这只名叫Idoya的恒河猴大脑的主要运动区和躯体感觉皮质区植入电极;这些区域在她动腿的时候显得活跃。然后他们把Idoya放在一个装置中,再通过互联网把她大脑的信号从杜克传给位于日本京都的一个机器人,她可以在一个显示器上看到这个机器人。Idoya走动时,机器人也走动,而当装置关闭时,她仍然仅凭意念让机器人继续走了三分钟。

意念驱动

Nicolelis希望这一技术能够帮助站起来,他的团队同时也在研制一套全身外骨骼。这种控制技术也可以应用到合体式假肢上,他说:“有朝一日我们可以把大脑指令分流出来,直接接到患者的肢体上,”无论是假肢,或是功能受损的真实肢体。

意念控制技术的其他进展包括位于麻萨诸塞州Foxborough的Cyberkinetics公司设计的一种名为BrainGate的神经接口的试用。BrainGate使一位24岁的四肢瘫痪者能够通过植入大脑表面的电脑芯片实现打游戏,移动电脑光标和控制一个机械手臂。美国三家医院正在召募患者参加这套系统的早期试验。Thakor的实验室计划明年实施第一个人体植入式控制仿真手臂的试验。

(图)外观如此靓丽,思维控制的实现又指日可待,是不是有一天假肢反而会变成优势?

看来意念控制的实现已然为期不远,我们即将拥有不但有力、轻便,而且操作起来也很方便的假肢。他们甚至会比真实肢体更强更快。那么一旦假肢反而超越了我们天生的肢体,会怎么样呢?

当南非短跑运动员Oscar Pistorius,一位利用弯曲的碳纤维“刀片”跑步的双下肢截肢者勉强地失去北京奥运(健全人)参赛资格时,这个问题提上了头版头条。体育官员们早前指出,他的假肢使他不公平地占到生物力学上的优势——Herr等人反对这个结论。

“将来当然有可能造出优于真实肢体的假肢,”Herr说,“尤其是在跑步上。”Herr就自己设计了攀岩专用的脚,适于抓握细小的边缘,或者楔进裂缝里。他说比起出事故伤了腿之前,如今反而能爬上更难的线路了,可是他很快就意识到训练也变得更加艰苦了。i-Limb手的发明者David Gow也同意假肢将与健全肢体激烈竞争,不单单是更强更快,而且在审美方面也可以做得更加令人赏心悦目。

如果有朝一日整容手术发展到给人换上完美的手脚,以期像Michael Phelps那样强大或者像Victoria's Secret内衣模特那样美丽,世界会变成什么样?这一切今天看来尚属牵强,但并非完全不可能。“那时我们全社会只有发展一套全新的伦理道德和行为准则,不是吗?”Gow说道。

Julian Smith是一位科学独立撰稿人,现居俄勒冈州Portland

[额外]:八爪鱼说:“把这个故事加进去就更好了。”这个故事在这里,《科比叔叔,我爱你(附科比回信)》。

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26 Responses to “[小红猪]生化机械人上市开卖喽”

  1. 山寨,你想要四肢哪一段儿透明?还是躯干?

    • 山寨盲流说道:

      这个这个...如果文身能文得逼真一点,就文身吧...
      主要是在拳头附近吧,打架的时候慢慢地掳起袖子...

  2. Lewind说道:

    我们离动画片里的未来世界又近了一步……

  3. laoke说道:

    若干年后,也許我們只剩大腦是自己的,其餘都是人工肢體
    等到大腦也能怎樣怎樣的時候
    我肯定是看不到了 (可怕...)

    • 山寨盲流说道:

      去看battlestar galactica!

    • qwing说道:

      大脑都不一定,如果蛋白质计算机开发顺利的话

    • snowmantw说道:

      歡迎來到漫畫 <> 的世界。
      裡面地面人(合成人)除了大腦外都是人工肢體,
      沙雷姆人卻是剛好相反。
      如果自己的思維器官或其他器官都是人工的,
      「這還能稱之為人嗎」?

  4. hehe说道:

    [b]下雨时的道路车走过为什么声音会那么响。[/b]

  5. 蓝晴说道:

    昨晚没睡好,梦回未来,看到广告一则.

    受够了追求真人女孩的困苦吗?
    受够了家里老婆的欺压吗?

    看到出门约会就烦?
    看到老婆的需求就力不从心?

    来吧,来购买我们的机器人女友吧,四肢由括德国Otto Block假肢公司公司生产,核心感情系统为苹果公司EVE六代,感情丰富,风情万种,第三代眼神系统更将迷倒你的心.限量发售,欲购从速啊.(前五名订购者赠送专门的夫妻生活组件)请上QQ:853343361联系.

    • 以whoyou为乐说道:

      如果男人们都心满意足于完美的机器老婆,女人们可就惨了。

      • 蓝晴说道:

        楼上,你要定做男的吗?没问题啊,不过单做有点贵哦.

    • 山寨盲流说道:

      这个夫妻生活组件会不会成了苏格兰打卤面的卤......

      • 蓝晴说道:

        非也,本机器人系统是经过丹麦著名厨房公司设计的,如果不安装夫妻生活系统,一些部位只用于削萝卜,所以,买不买你自己看吧.

    • Baiger说道:

      我相信你一定不是这么想的~~

  6. hulunfu说道:

    希望可以变的普遍 这样很多残障人士在生活中就会方便许多
    生活会更加的美好

  7. Metaverse说道:

    假肢生物化“种”在身上,估计会更好~~

  8. toto说道:

    会成为时尚吧,躯干四肢正常的人非要安个假肢以使自己更加强壮,就像韩国艺人好好的脸,屁股,胸非要整的更加强大一点。

    整容,变性,人工假肢。这世界越来越没人情味了

  9. jifei说道:

    只是进化论的延续。人的进化只剩下这种可能了。

  10. guanguang说道:

    这些假肢越做越精细,前提就是内中使用的器件越来越小巧。
    现在都开始做碳纳米管感受器了。
    那么进一步,把那些器件都纳米化,到这一步,跟生物组织又有什么分别?
    大可不必担心什么人味变少了。
    就好像不用担心香水会把女人变得没有女人味一样。

  11. zc说道:

    那以后还会有残疾人的说法吗?

  12. [...]  转年一月,凌空杀出一只山寨盲流,自称“肥胖中年男一坨,学的工科,干过IT,目前在社会上游荡,故有此名,属于干啥啥都不会,说啥啥都知道的知道分子。”,实际上非常靠谱。开篇《嗅觉的秘密信号》,翻译又快又狠,校对先是叹气:“这么快又来一篇啊!”继而舒一口气:“原来无需校对。”之后他以迅雷不及掩耳之势连发数篇并变身松鼠,如今已代表小红猪完成了一些书的翻译。(后来又翻译了非常酷的《机械人开卖喽》。) [...]

  13. [...]  转年一月,凌空杀出一只山寨盲流,自称“肥胖中年男一坨,学的工科,干过IT,目前在社会上游荡,故有此名,属于干啥啥都不会,说啥啥都知道的知道分子。”,实际上非常靠谱。开篇《嗅觉的秘密信号》,翻译又快又狠,校对先是叹气:“这么快又来一篇啊!”继而舒一口气:“原来无需校对。”之后他以迅雷不及掩耳之势连发数篇并变身松鼠,如今已代表小红猪完成了一些书的翻译。(后来又翻译了非常酷的《机械人开卖喽》。) [...]

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