重塑自我
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作者: 编译 李 坤
研究人员已研发出了具有感知的人造皮肤，下一步的目标是将人造义肢直接与骨头和神经系统进行连接。
美国老兵迈克・麦诺顿（Mike McNaughton）五年前在阿富汗战场上失去了一条腿，而如今他已经能够在球场上跑动着训练他11岁儿子所在的橄榄球队。这除了他具有战胜病魔的决心之外，还要感谢他所安装的具有高科技含量的可控液压膝关节义肢，这种义肢可以自动监控并调整行走的步伐，而响应时间以毫秒为单位。“现在我可以和孩子们一起在球场上奔跑和踢球。”麦诺顿说。
其实麦诺顿所安装的可控液压膝关节义肢只是义肢技术中的一种，近五年来，随着义肢技术的发展，义肢不仅能够提供更好的支撑力和适应性，而且研究人员还研发出了能感知压力的人造皮肤，甚至正在研究如何将义肢嵌入身体并受大脑意识的控制。“在高级义肢技术领域，也许目前是最令人激动的时候。”美国马里兰州约翰霍普金斯大学应用物理实验室的教授约翰・比格洛（John Bigelow）表示。
义肢领域的新产品不断推陈出新，从C-Leg、iWalk PowerFoot One、i-Limb到Luke Arm，研究人员通过各种各样的方式来不断更新义肢技术，为的就是让“失去肢体”这个概念成为过去。理想中的完美义肢是可以直接连接到使用者的骨头和神经系统，使之成为完整身体的一部分，只不过这一部分是金属或塑料材质的而已。虽然近年在义肢科技方面已经取得了很多进步，但是要达到理想中的完美义肢还有很多需要克服的障碍。
压力感知的人造皮肤对于实现完美义肢来说跨出了重要的一步。目前市场中最好的人造皮肤已经看上去与真实的皮肤非常相似，具有了毛孔和毛发，但是并不具有感知特性。而在实验室中，来自NASA（美国国家航空航天局）、ORNL（Oak Ridge National Laboratory，美国橡树岭国家实验室）和NIA（National Institute of Aerospace，美国国家航空航天科学研究所）的研究人员已经创造了一小块很薄的、具有柔韧度和压力感知特性的人造皮肤。
人造皮肤由具有结实、轻薄和柔韧特性的橡胶聚合体合成物制成，其中嵌入的碳纳米管层提供了压阻特性，即材料表面受到压力将改变材料的电阻。通过测量纳米管层电阻的改变，皮肤可以感到不同的压力大小及碰触的不同类型，例如是轻拍还是敲打。NIA的研究人员契欧・帕克（Cheol Park）表示：“目前研究出的具有感知能力的皮肤，包括还在进行研究的气温感知皮肤，对义肢技术来说是具有革命意义的。”这个研究团队现在还在致力于研究如何将这些感知信号传递到使用者神经和脑系统，以及努力尝试提高这种感知材料的最小敏感度。
另一种让人造义肢更像真实肢体的方式是将义肢永久固定或半永久固定在身体上。目前的义肢采用的多是佩戴方式，这存在几个问题，比如义肢与身体接触的地方总容易出汗及摩擦受伤，并且任何的松动都将引起控制及受力的问题。正因为如此，有些研究人员正在考虑，为什么不能将人造义肢直接固定在骨骼上呢？使用最初来自于牙科治疗的方法，瑞典梭格恩斯卡大学附属医院（Sahlgrenska Teaching University Hospital）的理查德・布瑞内马克（Rickard Branemark）正带领着一支由整形外科医生组成的团队，试验将钛材料固定在大腿或上臂残留的骨头上，在皮肤表面留一段2厘米长的支柱，通过这根支柱与义肢连接。这种方式目前还在研发中，使用者们认为，这样一来人造义肢的安装和拆卸都将更加简单和方便，义肢的使用时间也将更长。但是支柱附近皮肤的感染问题依然存在，同时，给已经脆弱的残留骨头添加过多额外的力量也会对其造成损伤。
而让人体义肢成为身体一部分的下一步就是将义肢直接与神经系统连接，这意味着捕捉脑信号、实时解码信号，以及让义肢执行这些信号，而感官输入也需要从义肢传递给中枢神经系统。
约翰霍普金斯大学约翰・比格洛的团队正在通过一个最新设计的机器人手臂Proto 2来实现这个想法。Proto 2的重量很轻，但是十分有力，它的“骨头”由碳纤维和高强度合金制成，并且具有和正常手臂几乎相同的灵活性：它安装有25个电动机和微处理器，可以执行正常人手臂可以进行的大多数移动，甚至速度更快。研究团队还开发了一个米粒大小的无线设备，并植入了义肢手臂附近的肌肉里。当肌肉收缩的时候，这些可植入式机电传感器可以传输信号指挥手臂移动。
美国芝加哥康复研究所（Rehabilitation Institute of Chicago）的托德・库伊肯（Todd Kuiken）还进行了一项名为目标肌肉神经移植术的研究，从而来控制义肢的移动。在这项研究中，在残肢中残留的神经被转移到胸腔肌肉，这些神经曾经控制着手臂的移动，所以当脑部发出让手臂移动的信号，这些神经将以一种特殊的方式指挥胸腔肌肉进行收缩。因为胸腔肌肉相对来说较大，所以这种收缩模式创建了一个可读的电信号，而这个电信号将传递到义肢从而指挥它移动。库伊肯在2008年的报告中表示，一位接受了这些试验的妇女表示她可以像使用真实的手臂一样使用这套高科技义肢，“我只是想着移动我的手和肘，结果它们就移动了”。
使用者们的最终期望是能够通过直接与大脑的活动连接在一起，以达到控制人造义肢的目的。约翰霍普金斯大学尼缇士・泰克尔（Nitish Thakor）的研究团队所进行的试验证明，这样的目的在理论上是可以实现的。在试验中，志愿者通过集中精神来操控一个机械手，同时佩戴一个布满电极的帽子来获取脑电活动。使用者的意识通过脑电图仪信号的形式处理后用于控制手的活动。这种非侵入式系统的缺点在于响应时间长，以及移动范围受限。
美国杜克大学的米盖尔・尼克利斯（Miguel Nicolelis）表示：“总有一天，技术能够做到允许大脑信号直接传递给病人的肢体，而无论肢体是人造的，还是部分丧失功能的。”其他脑控制技术的发展还包括先前一个称为BrainGate的神经界面试验，BrainGate帮助一个24岁的四肢瘫痪患者玩电子游戏、移动电脑鼠标光标，并通过植入在他大脑表面的电脑芯片控制一个机器手臂。美国三家医院正在招募病人进行此系统的临床试验。约翰霍普金斯大学尼缇士・泰克尔的实验室也计划在2010年进行大脑控制义肢活动的临床试验。
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