仿生手臂

能够像真人手臂一样感知冷暖的假手臂

芝加哥康复研究所（Rehabilitation Institute of Chicago，简称RIC）向公众介绍了首位将要安装“仿生手臂”的女性。

简介

首次出现

因摩托车事故进行左臂肩部截肢手术的克劳迪娅·米切尔，现在只需在头脑里想“拉开抽屉”，就可以用义肢拉开抽屉了。能够用自己的思维控制义肢进行复杂的动作，这为截肢患者开辟了全新的世界。要达到这个效果，其装置设备——无论是外科水平上，还是技术水平上——和结果一样令人叫绝。 “仿生手臂”成为现实，主要归功于截肢手术的两个因素。首先，即便是某些自主肌已经截除，无法控制，脑的运动皮层（控制自主肌的运动）仍然能够发出控制信号；第二，截肢时，并未切除所有曾经向该肢体运载信号的神经。也就是说，即便手臂已经切除，可以正常工作的神经末梢依然存在，它们在肩部中断，无处发送信息。如果将这些神经末梢重定向到某个可以正常工作的肌群，当患者想“用手抓扶手”时，大脑便会向与手之间传递信息的神经发出相应的信号，这些信号作用于这个可以正常工作的肌群，而非坏死的肩部末端肌群。

基本原理

重定向神经系统并不是一项简单的工作。RIC研究所的托德·库伊肯（Todd Kuiken）医生开发了一种名为“目标肌肉神经移植术”的技术。这项技术的基本原理是，外科医生将肩部切开，进入控制肘部、腕部、手等手臂关节的神经末梢。然后，在不破坏神经的情况下，将神经末梢重新定向到可以正常工作的肌群。RIC的“仿生手臂”病例中，外科医生将神经末梢与胸肌相连。这些神经需要耗费数月时间才能完全长入肌肉，并与肌肉建立良好的连接。最终结果是控制信号的重新定向：运动皮层照常通过神经通道发出控制手臂和手的信号，但是这些信号已不再到达肩部，而是抵达胸部。

为使用这些信号控制仿生手臂，RIC在胸肌表面放置了电极。每根电极控制用于移动义肢关节的六个电机中的一个。患者想“张手”时，大脑便会向相应的神经发出“张手”的信号，并最终定位于胸部。神经末梢接收到该信号时，所定位的胸肌开始收缩。当“张手”的胸肌开始收缩时，相应的电极会检测到这个激活作用，并启动控制仿生手的马达。由于各神经末梢定位于胸肌不同的部分，佩戴仿生手臂的患者就可以同时启动六个电机，使义肢形成比较自然的动作。

副作用

但是，这种“仿生手臂”也有一定的“副作用”。米切尔发现，如果胸前移植神经的地方接触到任何有温度的物体，都会使她想起已经失去的左臂，并同样产生冷或热的感觉。

靠思维支配

目前，世界上最先进的仿生手臂可使伤残患者活动自如，甚至能感受到冷暖变化。

在对克劳迪娅·米切尔进行的200万英镑仿生修复术中，医生在她的大脑和伤残肩膀建立神经连接，使她能够通过思维控制这只机械手臂。目前，伤残的手臂又恢复了知觉，能够感知冷暖。米切尔曾是美国海军士兵，在2004年一次机动车事故中失去了手臂。由于伤残程度很重，伤残处已接近肩膀位置，她已不具备传统修复术中能够控制机械手臂的神经组织。在一种叫做“神经定向再分布(targeted reinnervation)”的外科技术下，她静态肩膀神经灌输到胸部，远离其肩膀受损区域。

现在当米切尔想移动手臂时，她的大脑发送一个信号至胸部肌肉即可实现。发明神经定向再分布技术的美国博士托德·凯肯说，“我们通过这项最新技术使其手臂恢复正常！”从她胸部肌肉发送的电脉冲能够传输至仿生手臂，计算机能够将电脉冲进行解码，然后转换成为手臂动作。

通过大脑思维控制，米切尔可以弯曲手腕，灵活地移动拇指，紧握手指。她说，“之前人们认为我无法实现的日常基本任务，现在都已成为可能了！”但是这种高级仿生手臂也会带来一些“不便之处”，2006年她做完弥补手术后的四个月，米切尔在热水淋浴时热水烫到了她的胸部，她却感到自己的仿生手臂在作痛。她发现对自己胸部触摸施压或者接触较冷、较热物体，这样的压力和温度变化都可让仿生手臂感受到。这是因为医生不仅移除了运动神经，还移除了感官神经。

在美国芝加哥复原协会工作的凯肯告诉美国广播公司新闻频道记者说，“克劳迪娅是第一次接受该仿生手臂治疗的患者，手术中我们有意将她手掌感官神经移到其胸部皮肤组织。”该协会触觉专家保罗·马拉斯科绘制了米切尔手掌感官响应其胸部的神经路线。基于米切尔胸部的触觉感知，他说，“当仿生手臂关节弯曲时，米切尔会有皮肤被拉伸的感觉。”

目前，研究人员希望能够进一步提升仿生弥补技术，他们下一个研究目标是让仿生手臂具有知觉，凯肯博士说，“当你安装仿生手臂接触一些物体时，你会感觉这就像自己的肉体手臂。当你端起一咖啡时，你能够感受到它是热的。”

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