開球：世界杯上的腦控機(jī)械腿

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巴西時(shí)間6月12日17時(shí)，第20屆世界杯足球賽揭幕戰(zhàn)在圣保羅的科林蒂安球場打響。在球迷的狂歡聲中，身患截癱的28歲的巴西青年朱利亞諾·平托身著一套“外骨骼機(jī)器衣”來到場邊，象征性地為本屆世界杯賽開球。平托的機(jī)械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且酷感十足，展現(xiàn)了當(dāng)今高科技時(shí)代的前沿技術(shù)——腦機(jī)對接的神奇效果。

腦機(jī)接口——大腦指揮假肢

因外傷或其他原因而致截癱的人下肢不能行走，是因?yàn)橹湎轮\(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的信號(hào)無法通過大腦傳遞到腿部。為此，美國杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的巴西籍神經(jīng)科學(xué)家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）等人多年前就萌發(fā)了一個(gè)設(shè)想——為截肢患者裝上一個(gè)外骨骼機(jī)器衣，借此由大腦意念支配假肢（機(jī)械腿），以完成行走乃至踢球等動(dòng)作。

尼科萊利斯等人把他們研究的裝置稱為“神經(jīng)假肢”，也就是腦機(jī)接口或腦機(jī)交互設(shè)備。平托穿的外骨骼機(jī)器衣類似于太空服，包括頭盔、傳感器、計(jì)算機(jī)、假肢（機(jī)械腿）等部分，重量約10公斤，但穿起來卻舒適靈活，而其制作成本則高達(dá)8萬美元。

穿上這件衣服的患者可由自己的大腦操控假肢。在平托為世界杯開球的過程中，首先，頭盔設(shè)備檢測他大腦發(fā)出指令時(shí)的腦電波活動(dòng)，即大腦神經(jīng)信號(hào)。這些神經(jīng)信號(hào)被無線發(fā)送到外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的電腦上，再由電腦把腦電波指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字化指令，指揮假肢行走并踢球。外骨骼機(jī)器衣首先穩(wěn)住“球員”的身體，而后在300毫秒后，大腦信號(hào)就會(huì)命令假肢（機(jī)械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

與傳統(tǒng)假肢有很大的不同，這種包含在外骨骼機(jī)器衣上的機(jī)械假肢接受的是由大腦意念轉(zhuǎn)化而來的數(shù)字化指令，從而完成相應(yīng)的動(dòng)作。那么，腦機(jī)接口的原理和設(shè)想是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

大腦意念控制外骨骼機(jī)器衣和假肢的第一個(gè)步驟是，要把電極植入癱瘓者的大腦中以收集大腦的電信號(hào)。在放置電極時(shí)，不僅要將其植入顱骨下的腦組織內(nèi)，還要能同時(shí)探測大腦皮質(zhì)中數(shù)以千萬計(jì)的大量神經(jīng)元。

指揮人行動(dòng)的大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)位于大腦額葉，它發(fā)出的指令通常會(huì)傳遞到脊髓，從而控制和協(xié)調(diào)肌肉活動(dòng)，健全人就是靠這一指令和程序完成動(dòng)作的。而要采集到大腦的運(yùn)動(dòng)意念（指令）就需要一種傳感器。尼科萊利斯研究團(tuán)隊(duì)成員、杜克大學(xué)的加里·里修（Gary Lehew）設(shè)計(jì)了一種新的傳感器，稱為“記錄魔方”，它包含1000多個(gè)能記錄大腦電信號(hào)的“微細(xì)線”。

以前的微電極陣列只有電極的尖端能記錄神經(jīng)元信號(hào)，但“記錄魔方”可沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經(jīng)信號(hào)。也就是說，“記錄魔方”可以立體采集大腦皮質(zhì)各個(gè)方向的神經(jīng)信號(hào)，而且采集效果驚人。

收集到有效的大腦電信號(hào)（意念）不足以讓癱瘓者行動(dòng)和踢球，還需要把這些神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以指揮假肢行動(dòng)。要處理記錄魔方收集到的大量信號(hào)，需要一些神經(jīng)芯片，并且要把這些神經(jīng)芯片和微電極一起植入癱瘓者的大腦，這些裝置就可以提取控制外骨骼機(jī)器衣所需要的初始運(yùn)動(dòng)指令。

傳輸大腦指令的任務(wù)是由杜克大學(xué)的蒂姆·漢森（Tim Hanson）設(shè)計(jì)的一個(gè)擁有128個(gè)頻段的無線記錄儀來完成的，這些記錄儀同時(shí)與傳感器和芯片植入大腦，傳感器和芯片收集和處理的大腦電信號(hào)就可以通過無線記錄儀傳遞到平托所穿的外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的小型計(jì)算機(jī)處理單元中。計(jì)算機(jī)的多個(gè)數(shù)字處理器接到信號(hào)后便運(yùn)行各種軟件，把大腦的運(yùn)動(dòng)信號(hào)翻譯成數(shù)字命令，從而控制機(jī)械假肢，包括各個(gè)活動(dòng)部位、關(guān)節(jié)以及調(diào)整機(jī)械假肢位置的各種硬件裝置。

穿著外骨骼機(jī)器衣的平托為巴西世界杯象征性地開出的第一球，就是在如此復(fù)雜的數(shù)字指令的驅(qū)動(dòng)下而完成的。

“重新行走”的歷史和未來

讓大腦指揮人體機(jī)械裝置（如機(jī)械手或機(jī)械腿）行動(dòng)的設(shè)想和研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。1978年，腦機(jī)接口的研究初現(xiàn)光芒，第一個(gè)直接植入人類大腦的視覺輔助裝置產(chǎn)生。這是一個(gè)帶有68個(gè)電極的陣列，被植入一位成年的后天失明者，使這位患者產(chǎn)生了光感。除了植入大腦的電極陣列，這套設(shè)備還包括一個(gè)安裝在眼鏡上的電視攝像機(jī)，負(fù)責(zé)向植入大腦的腦機(jī)接口傳送視覺信號(hào)。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)有限，與這套系統(tǒng)配套的是一臺(tái)重達(dá)2噸的巨型計(jì)算機(jī)。

20世紀(jì)80年代，美國約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員探測到獼猴手臂運(yùn)動(dòng)方向與其大腦單個(gè)皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電信號(hào)，但由于所用試驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算能力所限，無法記錄大量大腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電信號(hào)。

后來，美國杜克大學(xué)神經(jīng)工程中心、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院以及巴西埃德蒙與莉莉·薩夫拉國際納塔爾神經(jīng)科學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起了“重新行走”項(xiàng)目，即研制外骨骼機(jī)器衣的計(jì)劃。最初的研發(fā)只有幾名研究人員參與，到后來全球陸續(xù)共有170多名研究人員參與到這項(xiàng)研究中。

1990年至2010年是“重新行走”項(xiàng)目動(dòng)物試驗(yàn)取得關(guān)鍵進(jìn)展的時(shí)期。尼科萊利斯等人研制出了更適合植入大腦的傳感器。這種傳感器稱為即微細(xì)線。它首先被植入大鼠和猴子的大腦進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，靈敏的微細(xì)線傳感器可以探測到動(dòng)物大腦額葉和顳葉皮質(zhì)中成百上千個(gè)神經(jīng)元發(fā)出的微弱電信號(hào)（動(dòng)作電位），而額葉和顳葉皮質(zhì)正是自主運(yùn)動(dòng)的主要控制腦區(qū)。這就證明，腦機(jī)接口的基礎(chǔ)是存在的。因?yàn)?，只要有大腦信號(hào)被收集，就可以把信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)械臂、機(jī)械手和機(jī)械腿，讓它們行動(dòng)起來。

2011年，尼科萊利斯等人的試驗(yàn)取得突破性進(jìn)展，有兩只猴子學(xué)會(huì)了利用神經(jīng)信號(hào)控制電腦中的虛擬手臂去抓取虛擬物體。在動(dòng)物試驗(yàn)取得成功后，2013年研究人員招募?xì)埣踩酥驹刚哌M(jìn)行人體試驗(yàn)。從此，在世界杯開幕式上讓外骨骼機(jī)器衣所控制的機(jī)械腿踢出第一腳球，就成為尼科萊利斯研究團(tuán)隊(duì)的重大目標(biāo)，他們將之看做檢驗(yàn)?zāi)X機(jī)接口的機(jī)械腿能否成功的標(biāo)志。

為此，研究人員在一小群在巴西培訓(xùn)的癱瘓青少年中選出一些志愿者參與試驗(yàn)。結(jié)果表明，置入大腦中的傳感器與大腦神經(jīng)元相連的越多，外骨骼機(jī)器衣接收的信息就越精確，機(jī)械腿完成的動(dòng)作也就更加準(zhǔn)確。

顯然，現(xiàn)階段的腦機(jī)接口裝置還不理想。人們在世界杯開幕式上看到，平托只是輕輕地觸碰了一下球，而不能像運(yùn)動(dòng)員一樣大力開球，把球踢得又高又遠(yuǎn)。盡管如此，這已經(jīng)是一個(gè)良好的開端。

不僅是研究人員，就連殘疾人也盼望著，穿上外骨骼機(jī)器衣的人不僅要能邁開步子行走、調(diào)節(jié)行進(jìn)速度，還應(yīng)當(dāng)能夠屈膝、彎腰、爬樓梯和踢球。此外，理想的外骨骼機(jī)器衣還應(yīng)該能讓穿戴者感知腳下的地面。這需要在腳部裝入一種既可以檢測特定動(dòng)作的力度，又能將來自外套的信號(hào)反饋給大腦的微型傳感器，如此，就能讓外骨骼機(jī)器衣“復(fù)制”出觸覺和平衡感。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，這種感覺就能讓癱瘓者感覺到腳趾與足球間的接觸。

另外，癱瘓者穿上外骨骼機(jī)器衣后還需要訓(xùn)練才會(huì)操作這套衣服和其中的假肢。在訓(xùn)練中，穿衣者通過與地面的連續(xù)接觸，感知機(jī)械腿的位置，并逐步積累感覺經(jīng)驗(yàn)，使其能夠在球場或人行道上從容而自如地走路并踢球。經(jīng)歷這一過程后，穿衣者的大腦就可以把機(jī)械外套當(dāng)作自身身體的一部分了。

顯然，用這些標(biāo)準(zhǔn)來衡量，現(xiàn)在的外骨骼機(jī)器衣還有一定的差距。但是，通過不斷改進(jìn)，這種腦機(jī)接口裝置將不僅能幫助癱瘓者站起來并做踢球等動(dòng)作，也將對肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（漸凍癥）、帕金森氏病和其他運(yùn)動(dòng)障礙患者有所幫助，讓他們能自如地伸肘、握拳、行動(dòng)和說話。如果這一技術(shù)最終達(dá)到理想效果，不僅世界杯足球賽開球的一幕將更加令世人驚奇，而且，患有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的英國物理學(xué)家霍金將來也有希望站起來行走和說話。