仿生肢體讓患者獲得真實(shí)感知能力

皮質(zhì)內(nèi)植入物幫助英柏瑞控制機(jī)械手臂。圖片來源：《自然》網(wǎng)站

◎本報(bào)記者 劉 霞

幾十年來，科學(xué)家一直致力于恢復(fù)四肢缺失或癱瘓人士的行動(dòng)能力，然而，現(xiàn)有的仿生肢體并非盡善盡美。美國(guó)匹茲堡大學(xué)生物工程師羅伯特·岡特表示，要想真正恢復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)能力，關(guān)鍵在于恢復(fù)他們對(duì)觸覺和溫度的感知功能。

英國(guó)《自然》網(wǎng)站在近日的報(bào)道中指出，科學(xué)家目前正競(jìng)相賦予仿生肢體的真實(shí)感覺。為此，他們?cè)诠こ碳夹g(shù)領(lǐng)域不斷鉆研，對(duì)感覺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的理解也日益深入。也有專家提醒，在追求技術(shù)突破的同時(shí)，人們還應(yīng)關(guān)注腦機(jī)接口和高科技假肢涉及的倫理和安全問題。

編碼數(shù)據(jù)傳遞觸覺

科學(xué)家目前正致力于讓患者體驗(yàn)到真實(shí)的感覺，但這條研究之路并非坦途，仍有許多難題亟待攻克。首要挑戰(zhàn)之一是需要編碼海量數(shù)據(jù)。

瑞典查爾姆斯理工大學(xué)神經(jīng)工程師賈科莫·瓦萊解釋道，當(dāng)人們觸摸物體時(shí)，皮膚上不同的感覺神經(jīng)元會(huì)對(duì)物體的形狀、壓力和質(zhì)地進(jìn)行編碼。瓦萊一直致力于解碼這些神經(jīng)信號(hào)，并嘗試通過身體的感覺神經(jīng)直接將這些信號(hào)傳遞到大腦，讓患者重新?lián)碛杏|覺。

在美國(guó)芝加哥大學(xué)做博士后期間，瓦萊與截肢患者斯科特·英柏瑞攜手合作。1985年，一場(chǎng)車禍讓英柏瑞的3塊椎骨粉碎性骨折，70%的脊髓被切斷，他的感覺和行動(dòng)能力因此大打折扣。

瓦萊團(tuán)隊(duì)的最新研究成果顯示，通過植入電極，他們成功地讓英柏瑞感受到了觸摸某一形狀邊緣的微妙感覺，甚至讓他體驗(yàn)到了指尖拖動(dòng)物體的細(xì)膩動(dòng)作。他們表示，這項(xiàng)技術(shù)將讓患者能夠用仿生手更自如地操縱和檢測(cè)物體，或用仿生腿獲得更佳的平衡感和步態(tài)。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院神經(jīng)工程師蘇萊曼·蘇庫爾等人則正積極探索恢復(fù)患者辨別溫度能力的途徑。他們通過熱裝置刺激上肢截肢患者剩余肢體的神經(jīng)，讓其佩戴機(jī)械手感受到了從溫暖到?jīng)鏊钠婷钭兓?/p>

合成技術(shù)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力

美國(guó)麻省理工學(xué)院工程師休·赫爾認(rèn)為，最重要的是，讓患者感覺假肢就像是自己身體的一部分，而不僅僅是仿生的人造裝置。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，赫爾及眾多科學(xué)家正致力于將人體多種組織，如肌肉、肌腱、骨骼和神經(jīng)，與先進(jìn)的合成技術(shù)相結(jié)合，以期將人機(jī)融合推向全新高度。

赫爾團(tuán)隊(duì)與波士頓布萊根婦女醫(yī)院攜手開發(fā)出一種方法，通過再生截肢腿殘余部分的神經(jīng)來恢復(fù)感覺輸入。該方法首先會(huì)取下患者一小塊腳跟皮膚，然后通過精細(xì)的手術(shù)將其與殘肢的感覺神經(jīng)連接。接下來，這塊皮膚移植物會(huì)與肌肉-計(jì)算機(jī)接口相連，該接口通過肌肉的收縮來激活感覺神經(jīng)。當(dāng)肌肉收縮并對(duì)皮膚施加壓力時(shí)，患者便能感受到腳跟仿佛被撞擊了一般。該方法最初在大鼠身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并取得了成功，目前正開展人體臨床試驗(yàn)。

電子皮膚備受關(guān)注

在為假肢賦予真實(shí)感覺方面，人造皮膚備受關(guān)注。美國(guó)斯坦福大學(xué)的工程師鮑哲南表示，電子皮膚融合了神經(jīng)科學(xué)與工程學(xué)領(lǐng)域的最新技術(shù)，有望大大拓展假肢的功能。

科學(xué)家不遺余力地研發(fā)外觀和感覺都像皮膚的人造材料。這些材料不僅能敏銳地捕捉環(huán)境中的信息，還能生成信號(hào)，與神經(jīng)系統(tǒng)直接“對(duì)話”。此外，也有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室致力于提高電子皮膚各個(gè)組件的性能。這些組件包括環(huán)境傳感器、能將感覺信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的微電路，以及連接傳感器與外周神經(jīng)的電子接口。

美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)神經(jīng)工程師尼蒂什·塔科爾在電子皮膚研究領(lǐng)域深耕數(shù)年。他認(rèn)為，人造皮膚領(lǐng)域要想取得質(zhì)的飛躍，必須在兩大領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。一方面，在納米材料和電子領(lǐng)域，需要制造出柔性有機(jī)晶體管，讓它們成為皮膚內(nèi)的觸覺“接收器”，并在受損時(shí)能夠自我修復(fù)。另一方面，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，相關(guān)材料能將感官信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

鮑哲南對(duì)使用“超越人類能力”的電子皮膚充滿了期待。她參與的一項(xiàng)研究顯示，電子皮膚緊密包裹的機(jī)械傳感器，能夠一次性讀取盲文中的整個(gè)單詞，而非逐個(gè)字母地識(shí)別。想象一下，其他類似傳感器或許能讓患者輕松知曉物體的化學(xué)成分。

倫理和安全問題值得警惕

盡管腦機(jī)接口、神經(jīng)假體和電子皮膚等領(lǐng)域的進(jìn)步令人矚目，但這些尖端技術(shù)要想真正被用于改善患者的日常生活，還有很長(zhǎng)的路要走。

這些技術(shù)成本高昂，需要繁瑣且耗資巨大的實(shí)驗(yàn)室操作。目前尚不清楚這些設(shè)備何時(shí)能供患者輕松使用。

美國(guó)神經(jīng)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行董事珍妮佛·芬奇表示，患者當(dāng)前面臨的最緊迫的問題集中于倫理和安全領(lǐng)域：這些設(shè)備由誰來安裝？衛(wèi)生服務(wù)部門如何決定這些設(shè)備的費(fèi)用？此外，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或設(shè)備制造商破產(chǎn)時(shí)，患者可能將面臨植入物不受支持或無法工作的困境。