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巴西世界杯第一脚:“瘫痪钢铁侠”的前世今生  

2014-06-11 18:07:56|  分类: 科技趣图汇 |  标签: |举报 |字号 订阅

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巴西世界杯第一脚:“瘫痪钢铁侠”的前世今生 - kxsj - Newton-科学世界

6月12日,举世瞩目的巴西世界杯即将开战。开幕式上,将由一位特殊的嘉宾来开球——一位腰部以下瘫痪的青年,将从轮椅上站起来,走到球场中间,踢出世界杯的第一脚。有媒体形象地称之为“瘫痪钢铁侠”。之所以称他/她为“钢铁侠”,是因为他将穿戴一个用脑电波控制的机械外骨骼系统来完成这个动作。
这是国际合作计划——“再行走项目”(Walk Again Project)的科学家们在神经科学和认知技术领域的一个大胆的尝试。
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图/Duke

再行走,荆棘不再密布
这是一个由100多名科学家组成的非营利性国际合作组织,由杜克大学的Miguel Nicolelis教授领导。慕尼黑工业大学(TUM)认知系统研究所的Gordon Cheng教授,是该项目的主要合作伙伴。(项目网址:http://virtualreality.duke.edu/project/walk-again-project/)

{传送门:还记得“意念开飞机”项目吗?这也是慕尼黑工业大学的项目。看视频可戳右边:http://v.youku.com/v_show/id_XNzE4MjQzOTA4.html}

他们在巴西挑选了9名腰部以下瘫痪的病人,年龄在20到40岁之间,训练他们使用这个机械外骨骼系统。该系统监测使用者的脑电波,判断他的意图(比如走路或者踢球)并将其转换成外骨骼的行动。Gordon Cheng教授的研究所还开发了一个灵敏的人造皮肤,可以给使用者触觉上的反馈。最终他们中将有3人能参加开幕式,有1人将在揭幕战巴西对阵克罗地亚的比赛前,踢出第一脚。
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世界杯揭幕战

智能假肢
意念控制的装甲,比起医学,更像是《钢铁侠》中的场景。但许多科学研究都证明,神经细胞可以与电子设备沟通。根据2012年Nature的一篇文章,单个神经元甚至可以通过改变它们的兴奋模式,来学习与计算机算法更高效的沟通。(Nature相关文章网址:http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7389/full/nature10845.html)

科学家已经在小鼠和猴子身上试验了几十年。如今,神经义肢技术(neuroprosthetics)已经可以应用在人类身上。那些因车祸、战争等原因丧失行走能力的人,将有机会扔掉轮椅,恢复一部分行动能力。
例如:2004年,被刺伤脊柱之后四肢瘫痪的Matt Nagle在布朗大学植入大脑芯片后,能遥控一个摇臂来拿起糖果。还有BrainGate公司喜欢宣传的一个案例:一位58岁、因中风而瘫痪的女性在植入芯片后,学会了用大脑来控制一个五指机械手,喂自己喝咖啡。(Nature相关文章:http://www.nature.com/nature/journal/v485/n7398/full/nature11076.html)
但实际上,这位女性并没有真正控制这个手臂,她只是触发了一系列事先编排好的程序。

我们的主角,Nicolelis教授是这个领域的先驱。上个世纪90年代,他帮助开发了第一个意念控制的机械臂。在实验中,小鼠学会了通过“意念”来操作喝水装置。(Nature相关文章网址:http://www.nature.com/neuro/journal/v2/n7/full/nn0799_664.html)
在那个实验中,小鼠的大脑中植入了一个电子芯片,其上排列着许多电线,就像刷子上的猪鬃毛一样,用来采集神经细胞产生的电脉冲,并传输给计算机。
在最开始的试验中,小鼠推动一根杆子来控制取水的机械臂。科学家发现,小鼠神经细胞兴奋的比率与推动的方向有关。随后他们开发了一个算法,来识别不同的神经兴奋。这样,小鼠不需要推动杆子,仅靠意念就可以移动机械臂来喝到水。

使用类似的脑机接口(brain-machine interface,BMI),Nicolelis教授和他的同事开始将其应用到灵长类动物身上。2000年,他们报告称,一只连接到因特网的枭猴,用意念控制了600英里外的一个机械臂。8年后,他们实验室里的一只猕猴,用意念控制日本东京的一个机器人在跑步机上慢跑。(这个机器人就是由Gordon Cheng教授所开发,他是“再行走计划”的主要合作者,当时在东京工作。)
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美国猕猴控制日本机器人在跑步机上慢跑


瘫痪钢铁侠的装备
Nicolelis教授已在猴子身上成功实验了这个用于世界杯的机械外骨骼。
它的功能非常简单,由轻巧的合金制成。当瘫痪患者穿上它时,它可以完成他们的腿部肌肉无法做到的事情。使用者还需戴上一个装置有32个电极的帽子,用细如发丝、柔软可曲的传感器来监测额叶和顶叶皮层的数百个神经元发出的微弱电信号,或称动作电位。它的稳定性依靠几个陀螺仪,电池和计算机则安装在背部。它甚至还装有安全气囊。电极采集到的信号传输给背上的计算机,在那里被解码并用液压来驱动外骨骼。电池则可以连续使用两小时。
使用时,他们的动作将非常流畅,绝对不是机器人那种范儿。
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机械外骨骼的结构图  图/The Guardian


感受大地
这个机械外骨骼绝不仅仅是一个冰冷的金属支架,它还包覆着特质的人造皮肤——CellulARSkin。
这个人造皮肤技术的灵感,同样来源于2008年那次“美国猕猴控制日本机器人”的国际合作——Nicolelis教授在美国北卡罗莱纳州让一只猴子在跑步机上慢跑,其脑电波控制Gordon Cheng教授在东京制造的人形机器人做同样的动作。他们立刻联想到,这可以进一步开发,用脑电波来控制机械外骨骼,帮助瘫痪病人重新站起来行走。
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 Gordon Cheng教授和他改进的人形机器人。机器人和教授都,萌萌哒。   图/TUM


“我们的大脑让我们可以利用工具来扩展身体的功能,”Cheng教授说。“比如开汽车和用筷子吃饭。东京实验之后,我们认为,大脑也可以用来解放瘫痪病人,使用外部的机械来行走。”毫无疑问,这需要更先进的技术,才能制造出更紧凑轻巧的机械外骨骼。同时,使用者的舒适感也非常重要。不仅要让他们能走路,还让要他们感受到地面的触觉。

2010年,Cheng教授加入了TUM。改进机械外骨骼的触觉感受工艺,成为了他的研究所工作的重点。目前,他们已初步开发出了这个名为“CellulARSkin”的人造皮肤技术。
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CellulARSkin   图/TUM

这个人造皮肤包括多个扁平的、六角形的电子元件,还包括一个低能耗的微处理器,还有一些传感器,能检测到接触前的靠近、压力、震动、温度,甚至三维空间内的运动。这些单个的“细胞”元件组成一个蜂巢状的网络,包覆着一层弹性的橡胶皮肤。
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 CellulARSkin的结构   图/TUM

“传感器并不是最重要的,”Cheng教授说。“传感器的智能更加重要。”细胞元件之间、网络和中央系统之间,需要达成良好的协作,才能使其适应多种应用,并能自动修复损伤。这些能力使得它能适应更智能、交互更安全并能快速安装的工业机器人——就像欧盟“Factory in a Day”项目所追求的那样。

在“再行走计划”中,“CellulARSkin”有两个用途:
1,与机械外骨骼组装(例如装在脚底)。当脚步踩下时,向病人前臂上的微小马达发送信号,使之发出轻微的震动。通过这种间接的反馈训练,病人可以学习与机械外骨骼的合作,以形成他自己的“身体图式”(body schema,人体将身体各部的关系协调起来,能察觉躯体所占的空间)。
2,包覆在病人身体外面,监测病痛和不适。


真实的行走幻觉
在实验中,一个瘫痪患者告诉Nicolelis教授:“我感觉我在沙滩上漫步,我的脚触摸着沙子。”
Nicolelis将这比作“橡胶手幻觉”,即大脑被欺骗了,误把外界物体认为是自己身体的一部分。“这证实了我们的预言,机械外骨骼变成了我们身体的一部分。”
在另一些实验中,病人甚至可以用外骨骼在跑步机上走路。


“再行走计划”的科学家希望,科技的发展不仅能让瘫痪患者在绿茵场上感受到足球的触感,更能让全世界的残疾人感受到重新站起来的希望。
也许有那么一天,轮椅将成为博物馆里才能看到的文物。



资料来源:Washington Post,Sciencedaily,The Guardian,Nicolelislab,TUM,http://virtualreality.duke.edu/
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【科学世界博主编译,转载请注明】


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