現(xiàn)在你可以隨心所欲了

通過一頂帽子和一只機械手，科學(xué)家第一次使用腦機接口的方式讓四肢癱瘓的殘障人士在實驗室以外的環(huán)境下“隨心所欲”地使用自己的雙手，完成進食、喝水、簽名等基本的日?；顒印＿@一研究將顯著提高他們的生活質(zhì)量。

南方周末特約撰稿 陳彬

A先生將右手慢慢地伸向桌上的一個盤子，拿起一片盤中的薯片，慢慢地放進了自己的嘴里。這樣的一個動作對普通人來說也許不值得大驚小怪，但于他而言卻有著不同的意義。就在十分鐘前，即使是這樣一個簡單的動作他也無法完成，因為他是一名四肢癱瘓的殘障人士。這種巨大的改變得益于他手上戴的一只“機器手”外骨骼以及頭上戴的一頂“帽子”。這個系統(tǒng)由德國、西班牙和意大利的科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)而成，相關(guān)的研究結(jié)果最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志新創(chuàng)刊的子刊《科學(xué)-機器人》（Science Robotics）雜志上。只需在第一次使用時進行大約十分鐘的調(diào)試和適應(yīng)，四肢癱瘓的殘障人士就能“隨心所欲”地使用自己的雙手，完成進食、喝水、簽名等基本的日常活動了，這必將顯著提高他們的生活質(zhì)量。

受損的“必經(jīng)之路”

即使是端起一杯水這樣一個簡單的動作，要得以實現(xiàn)也需要手上各種肌肉各司其職、相互協(xié)調(diào)才能夠完成。而在執(zhí)行這個動作期間，這些肌肉是拉伸還是收縮、在何時拉伸或者收縮，都是由大腦中相關(guān)區(qū)域的神經(jīng)元來控制的。這些神經(jīng)元會像接力賽跑一樣把給肌肉的指令傳遞給它們下一級的神經(jīng)元。在經(jīng)過逐級傳遞之后，這些指令最終會到達相應(yīng)的肌肉組織，“命令”它們拉伸或者收縮。

不管是給手指肌肉的指令還是給小腿肌肉的指令，要想到達相應(yīng)的肌肉組織，都要經(jīng)過一條“必經(jīng)之路”：脊髓。脊髓就像一條傳遞信息的“光纜”，大腦發(fā)送給身體絕大多數(shù)區(qū)域的指令都需要經(jīng)過它才能夠到達目的地。如果這條“光纜”受到了損傷，指令的傳遞就會受到影響甚至被阻斷，導(dǎo)致這些指令無法得到執(zhí)行。很多殘障人士四肢癱瘓便是由于種種原因（如車禍等）造成的脊髓損傷導(dǎo)致的（除了不能活動外，四肢感受到的外界信息，比如觸覺信息，也無法傳遞給大腦，因此人的這些感覺也會受損甚至完全缺失）。

牽線搭橋

想讓這些殘障人士能夠重新活動他們的四肢，在脊髓這條“光纜”受損的情況下，科學(xué)家必須想辦法在大腦和四肢之間搭建一個新的指令傳輸通道。這些科學(xué)家通過“腦機接口”（Brain-Machine Interface或者Brain-Computer Interface）的方式在大腦和病人的手之間進行了牽線搭橋。所謂腦機接口是指科學(xué)家首先使用特定的手段讀取人的意圖，然后將這種意圖用外部設(shè)備進行分析和處理之后再回傳給人。在這項研究中，科學(xué)家讀取的是殘障人士希望“動手”的想法，在把這些想法分析、處理并最終轉(zhuǎn)化成為動作指令之后，這些動作指令會被回傳到殘障人士的手上，“指揮”手的運動。

這并不是科學(xué)家第一次嘗試使用腦機接口來幫助殘障人士了，這一領(lǐng)域近年來一直是一個研究熱點。但這項新研究不僅有著它的獨到之處，而且還是科學(xué)家第一次使用腦機接口讓殘障人士在實驗室以外的環(huán)境下自主地完成日?；顒印?/p>

隨心所欲？

腦機接口讀取意圖的方法可以分為兩大類。一類是植入式的，這種方法是通過開顱手術(shù)把能夠讀取大腦電活動的電極植入到人腦里。這種方法的優(yōu)點是電極能夠精確的讀取大腦的電活動，信噪比高。但這種方法也有一定的缺點，比如開顱手術(shù)存在的風(fēng)險（腦出血、可能的感染等）。基于這些原因，這種讀取方式比較適合那些四肢徹底癱瘓的殘障人士。而對于那些四肢并沒有完全癱瘓，肌肉尚有一定活動能力的人來說則需要權(quán)衡利弊了。另一種讀取意圖的方法是非植入式的。這種方法通過外置的設(shè)備，常常是腦電圖來讀取人的意圖。由于無需做開顱手術(shù)，這種方法避免了相應(yīng)的風(fēng)險，缺點則是信噪比比較低，這就導(dǎo)致人的意圖比較容易被系統(tǒng)“歪曲”，無法被忠實地執(zhí)行。除此之外，為了盡量精準地讀取人的意圖，這種方法還需要在人的頭上涂抹導(dǎo)電膏，給人帶來不便。

在這項研究中科學(xué)家使用了非植入式的讀取方式，使用腦電圖來讀取人的意圖。他們給參與研究的殘障人士戴上了一頂電極帽，這個帽子接觸頭皮的一側(cè)上有多個電極，這些電極能夠?qū)崟r讀取大腦不同區(qū)域的腦電活動。當使用者希望自己的手做出某個動作時，比如希望端起一杯水時，他唯一需要做的就是“想”，想象自己正在做這個動作。這種運動想象會使大腦中的相關(guān)神經(jīng)元產(chǎn)生相應(yīng)的電活動。在電極帽上的電極檢測到這些腦電信號之后，這些信號會通過無線傳輸傳到一個平板電腦上。平板電腦上的軟件會對這些信號進行分析和處理，提取出使用者的想法，并將其轉(zhuǎn)化成為運動指令。科學(xué)家同時還給腦電信號設(shè)置了一個“門檻”，只有當信號高過這個“門檻”的時候，系統(tǒng)才會將這些意圖轉(zhuǎn)化為運動指令。設(shè)置這樣一個“門檻”可以讓系統(tǒng)不至于誤讀使用者的意圖，把使用者的一個簡單遐想也當作想要動手的意圖。由于使用的是干電極，所以這種方式無需涂抹導(dǎo)電膏，省卻了種種不便和不適。

除了需要讀取使用者意圖的元件外，這個系統(tǒng)還需要一個指令執(zhí)行的元件。這個部分是一個外骨骼的機器手（hand exoskeleton）。這個機器手就像一個手套，供使用者戴在手上。機器手的各個部位通過導(dǎo)線與機器手的控制盒相連，而后者則從平板電腦那里接收運動指令。在接收到指令之后，機器手會做出相應(yīng)的動作，“手把手”地讓使用者端起一杯水或是將一勺食物喂進自己的嘴里。

從理論上來說，這個系統(tǒng)能夠讀取使用者的意圖（甚至還設(shè)置了防止誤讀的“門檻”），將其轉(zhuǎn)化成指令，并最終由機器手來執(zhí)行，讓機器手“手把手”地幫助殘障人士隨心所欲地完成日?；顒?。

獨立的開關(guān)

然而情況并不像想象的這么簡單。干電極避免了涂抹導(dǎo)電膏帶來的不便，但卻是以做出犧牲為代價的：干電極很容易受到外界噪音的影響。加之非植入式的讀取方式本身就不如植入式精準，所以如果單單只用這一個手段來讀取使用者的意圖從而控制機器手的開合的話，系統(tǒng)仍然會不時出現(xiàn)誤讀，從而使本該握緊的手突然松開或者本該松開的手處于牢牢握緊的狀態(tài)。雖然這種方法90%的準確性看起來已經(jīng)很高了，但是誰也不希望每端起十個水杯中就有一個因為手不聽使喚地松開而摔到地上被打碎。

為了解決這一問題，科學(xué)家給這個系統(tǒng)加上了另一個開關(guān)。這個開關(guān)是使用者的眼電圖。在有了兩個開關(guān)的情況下，科學(xué)家就可以把使用者的腦電圖用作控制機器手握緊的開關(guān)，而使用者的眼電圖則被用作控制機器手松開的開關(guān)。

當人的眼球發(fā)生水平方向的轉(zhuǎn)動，眼睛的視點偏離正前方的時候，人的內(nèi)外眼角間會產(chǎn)生電位差（也就是兩者間存在凈的電荷差），電位差的大小與眼球偏離正前方的幅度有關(guān)，偏離得越遠，這種電位差就越大。使用放置在眼角內(nèi)外側(cè)的電極，科學(xué)家能時時刻刻記錄這種眼電圖的變化情況。他們同樣也設(shè)置了一個眼電圖電位差的“門檻”。當機器手處于緊握狀態(tài)的時候，如果使用者希望松手的話，只需要眼睛向外側(cè)看，讓眼球旋轉(zhuǎn)偏離正前方到一定的程度，超過預(yù)先設(shè)置的“門檻”就行了，這時系統(tǒng)就會命令機器手松開。由于這個“門檻”設(shè)得很高，也就是說眼球需要偏離正前方很大的幅度才能超過這個“門檻”，所以除非使用者自己刻意讓眼球偏離到超過這個“門檻”的程度，否則在日常的生活中，機器手是不會因為意外而被松開的。

由于有了腦電圖和眼電圖兩個開關(guān)，所以兩者可以各司其職，避免了只有一個開關(guān)時使用者的意圖容易被誤讀的情況。比如當腦電圖讀取到使用者希望端起一個杯子的時候，在系統(tǒng)發(fā)出指令之后手就會握緊杯子，這時使用者就無需再始終想著“握緊杯子”這個動作了，因為這時機器手會被系統(tǒng)鎖定，始終處于緊握的狀態(tài)。當使用者希望放下杯子并松手的時候，他只需要轉(zhuǎn)動眼球超過“門檻”就行了，這時系統(tǒng)會讓機器手松開。

由于整個系統(tǒng)都很輕便，體積也不大，并且可以用電池供電，所以這個系統(tǒng)能夠很容易地放在殘障人士的輪椅上，在外出的時候使用。

成就和挑戰(zhàn)

在這項研究中，科學(xué)家招募了六名四肢癱瘓（程度各不相同）的殘障人士對這個系統(tǒng)進行測試。這些殘障人士并沒有四肢完全癱瘓，肩部和手臂的部分區(qū)域還有一定程度的活動能力，但是總的來說自主的活動能力已經(jīng)大大受損，在沒有人幫助的情況下已經(jīng)無法完成進食、喝水等最基本的日?；顒恿?。

當?shù)谝淮问褂眠@個系統(tǒng)的時候，科學(xué)家需要根據(jù)使用者的情況對系統(tǒng)進行一定的調(diào)試（比如設(shè)置眼電圖的“門檻”），使用者也需要一點時間來適應(yīng)。但所有這些需要的時間非常短，只要大約十分鐘就足夠了。在此之后，這些原本幾乎事事都需要人幫助的殘障人士立刻就能完成很多日常的活動：在餐館里，測試者無需任何幫助就能使用餐叉進餐；能夠拿起一瓶礦泉水，倒一些水到一個杯子里，放下礦泉水瓶，端起水杯喝上一口。除了這些相對“簡單”的活動以外，測試者甚至還能完成一些更為復(fù)雜和精細的活動，比如拿起一支筆在紙上簽下自己的名字；拿起一張信用卡交給店員進行刷卡消費，或者拿起一個對殘障人士來說頗有難度的小球或者骰子等等。

這樣的改變毫無疑問會極大地改善殘障人士的生活質(zhì)量。在接受媒體采訪時，這項研究的領(lǐng)導(dǎo)者、德國圖賓根大學(xué)的Surjo R. Soekadar博士使用了“驚嘆”這個詞來描述參與測試的殘障人士對這個系統(tǒng)的反應(yīng)。盡管如此，這個系統(tǒng)仍然還有很多地方需要完善。一方面目前這個系統(tǒng)主要的功能是幫助使用者握緊以及松開手，還無法完成一些過于精細的動作；另一方面機器手本身的重量，以及有限的關(guān)節(jié)數(shù)量很大程度上對使用者手的靈活運用產(chǎn)生了限制；另外目前這個系統(tǒng)還無法根據(jù)被握物體的特征來調(diào)整施加的握力的大小，這一點在現(xiàn)實生活中可能會帶來極大的不便。Soekadar和他的團隊目前正在嘗試讓這個系統(tǒng)變得更加智能化，比如通過智能手機等設(shè)備將使用者所處的環(huán)境信息（比如是在餐館、銀行還是商場）導(dǎo)入到系統(tǒng)中，以此使系統(tǒng)能夠根據(jù)所處的環(huán)境更加智能化地執(zhí)行任務(wù)。對于這一系統(tǒng)未來的前景，Soekadar可謂信心滿滿，他希望在未來兩年內(nèi)把這個系統(tǒng)推向市場，根據(jù)功能不同，他預(yù)計每個系統(tǒng)的售價會在5,000到10,000歐元之間。