對于肢體殘障人士來說，希望假肢不僅僅可以實現(xiàn)美觀作用,，更可以用“意念”控制，從而真正達到“如臂使指”的效用,。美國的DARPA（國防高級研究計劃局）為方便戰(zhàn)場負傷士兵的日常生活,，十多年前即著手研發(fā)號稱“盧克之手”的仿生假肢，目前已獲美國食品藥品管理局批準,。英國的i—limb機械手已進入商用,。而中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院科研團隊致力于將這類“意念控制”的假肢輕量化、低價化,，目前研究已取得一定成果,，并進行了人體實驗。
那么,，人是如何用“意念”控制假肢,？它們和原生肢體還有多大差距？
如何用“意念”控制假肢
既然是仿生,，那么首先就要研究“人是如何操控原生肢體的”,。科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，人通過神經(jīng)元控制身體各組織器官,，會產(chǎn)生生物電信號，這種信號中載有人的行為信息,，能夠直接反映人的意圖,。科學(xué)家通過解碼人體生物電信號,，從而試圖識別人的“意念”,，進而讓機器按人的想法工作——這方面研究已成為人機交互研究的熱點之一。
目前來說,，廣泛關(guān)注的生物電信號包括肌電（Electromyography,，EMG）、腦電（Electroencephalography,，EEG）以及眼電（Electrooculography,，EOG）等。
研究發(fā)現(xiàn),，大多數(shù)截肢患者都存在一種幻覺,，認為因截肢而失去的肢體依然存在，這被稱為“幻肢感”,。比如,，他們可以想象失去的肢體還可以拿取物品，甚至感受到疼痛等,。當截肢者通過想象,，用他們的幻肢做某一動作時，大腦產(chǎn)生的運動神經(jīng)信號使得殘存的肌肉收縮，產(chǎn)生肌電信號,。
由于表面肌電信號（Surface EMG,，sEMG）蘊含信息豐富，采集技術(shù)相對成熟,，并且是無創(chuàng)采集,，因而受到眾多研究者青睞。據(jù)了解,，表面肌電信號是一種非平穩(wěn)的微電信號,，它一般在肢體運動前30—150毫秒產(chǎn)生。
中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室副研究員王衛(wèi)群向南方日報記者解讀識別肌電信號控制假肢的原理：通過貼在肌肉表面的電極片感受肌肉收縮時產(chǎn)生的電信號,，進而通過電信號強弱與假肢關(guān)節(jié)運動量的對應(yīng)關(guān)系來控制假肢連續(xù)運動,，或者當電信號超過一定閾值時產(chǎn)生關(guān)節(jié)動作。王衛(wèi)群說,，通過肌電信號控制智能假肢存在的問題在于,，肌電信號非常微弱且不穩(wěn)定，“例如容易受脂肪厚度,、出汗,、溫度、毛發(fā)等因素影響”,。
另外,，對于殘障人士來說，“意念”控制假肢并不僅僅是安裝即用,，還要進行較長時間的訓(xùn)練,。王衛(wèi)群說，訓(xùn)練的過程,，即是建立肌電信號與假肢關(guān)節(jié)運動的對應(yīng)關(guān)系?！斑@可以通過建立數(shù)學(xué)物理模型等方式來實現(xiàn),，但是由于肌電信號及模型的復(fù)雜性，需要采集足夠的數(shù)據(jù)樣本來訓(xùn)練模型,，才能實現(xiàn)肌電信號對假肢的在線控制,，因此訓(xùn)練時間較長?！?/p>
王衛(wèi)群也指出,，訓(xùn)練過程還與假肢復(fù)雜程度有關(guān)。
智能化假肢成研究熱點
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所教授姜力等專家今年7月的《機器人》雜志發(fā)表文章,，回顧智能假肢的研發(fā)歷史,。姜力在文章中指出，假肢有幾百年的發(fā)展歷史，1948年世界上第一個肌電控制假肢問世,，實現(xiàn)了人體神經(jīng)系統(tǒng)對假肢的控制,。此后，單自由度肌電控制假肢一直占據(jù)假肢手的主流,。進入21世紀,，隨著生機電一體化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，假肢進入了第二次技術(shù)革命,，智能化成為新一代假肢的核心特征,。2010年，智能假肢被《生命科學(xué)》雜志列為未來的十大創(chuàng)新技術(shù)之一,。
在一系列研發(fā)計劃的推動下,，第一代智能假肢問世。2007年,，英國Touch Bionics公司研制成功了世界上首個各手指可獨立運動的多自由度靈巧假肢產(chǎn)品i－Limb,。
繼i－Limb之后，德國Vincent公司和英國RSL Steeper公司分別于2010年和2012年推出了Vincent假肢手和Bebionic假肢手,。2005年起,，美國DARPA啟動了“革命性假肢”計劃，成為有史以來假肢領(lǐng)域最大的研究計劃,，約翰霍普金斯大學(xué)等30多家研究機構(gòu)參與,，相繼推出了“盧克之手”和MPL智能假肢，其中“盧克之手”2014年通過FDA（美國食品藥品管理局）認證,，2016年進入臨床應(yīng)用,。
“盧克之手”，顧名思義,，其名稱來自于星戰(zhàn)電影中“天行者盧克”與真手無異的機器手,。它有一套獨特的肌電算法控制系統(tǒng)，末端傳感器可以精準采集病人的肌電信號并快速作出響應(yīng),。
國內(nèi)也有類似研究,。前述中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院李光林研究員及其團隊研發(fā)的仿生假肢著力兩個方面改進：重量更輕、成本更低,。它利用3D打印技術(shù)制作,，重量僅200克，遠低于同類型假肢500多克的重量,，大大減輕了患者的佩戴負擔,，方便長期佩戴。另外,，其預(yù)期售價也將遠遠低于同類產(chǎn)品,。李光林告訴南方日報記者,，其團隊經(jīng)過幾年的努力，在肌電假肢控制穩(wěn)定性,、可靠性及假肢設(shè)計等方面有了一些突破,，不過仍有一些技術(shù)細節(jié)需要完善。
人體關(guān)節(jié)的靈活性機器仍難以實現(xiàn)
姜力在文章中指出,，面向殘疾人應(yīng)用的假肢手需要在人體神經(jīng)信號的控制下工作,，因此必須考慮假肢結(jié)構(gòu)與生機接口的性能匹配和功能集成問題。
目前,，由于人體運動的神經(jīng)信息編碼不明,，現(xiàn)有的大多數(shù)生機接口只能輸出較少的離散運動模式，特別是對于有效肌肉群少且肌電信號弱的肢殘患者來說,，難以直接控制具有多主動自由度的靈巧操作結(jié)構(gòu),；同時，與機器人靈巧手相比,，假肢手的外形,、尺寸和重量還有更加苛刻的要求。因此,，如何在生機接口性能約束下以較少的主動自由度再現(xiàn)人手的靈巧運動特性是智能假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計需要解決的問題,。
王衛(wèi)群也表示，目前我們能看到的智能假肢產(chǎn)品還是以單關(guān)節(jié)為主,，與人類肢體的自然運動還有較大差距,。“目前單關(guān)節(jié)和少關(guān)節(jié)的假肢,，比如踝關(guān)節(jié)假肢,、少自由度假手等有一些產(chǎn)品，但是實現(xiàn)更多自由度,、更接近人體仿生學(xué)的關(guān)節(jié)控制,，還有很遠的路要走?！?/p>
自由度用來表示機械靈活的程度,。以人類為例，人類的手共有27個自由度：每個手指中有4個,，拇指上有5個，手腕上還有6個——這種高精細度對于機器來說仍然難以實現(xiàn),。
另一種思路：直接從大腦讀取信號
2014年,，巴西圣保羅的世界杯開幕式上，29歲的下肢癱瘓病人平托穿戴了由腦信號控制的外骨骼,，為比賽開球,。平托的動作,，即來自于智能假肢的另一種思路：通過腦機接口讀取腦電信號，操縱機械肢體,。
什么是腦機接口,？腦機接口指在人腦和外部設(shè)備之間建立起來的直接通訊通道。人們常把腦機接口用于研究,、替代,、輔助、增強,、改善或修復(fù)人的認知功能或感覺－運動功能,。早在上世紀90年代末，紐約州立大學(xué)的科學(xué)家即第一次通過實驗證實,，利用腦皮層神經(jīng)元集合信號可以控制機械手臂運動,。
王衛(wèi)群在一篇綜述中寫道，腦電信號作為運動意圖的直接反映,，具有很強的實時性,，對運動意圖的識別也相應(yīng)更為迅速。目前,，腦機接口的主要手段包含植入式和非植入式兩類,。植入式腦機接口優(yōu)點是信號采集效果更好，但有植入手術(shù)風險,。而非植入式腦機接口目前較多采用的是頭部表皮腦電圖信號 （EEG）,，實現(xiàn)腦和外部世界的簡單通訊，缺點是信號帶寬有限且抗干擾能力差,。
“目前通過植入式腦機接口控制多自由度機械臂已經(jīng)有一些比較好的結(jié)果,，比如2012年《自然》雜志發(fā)表了美國布朗大學(xué)的研究成果，采用植入式腦機接口技術(shù),，上肢癱瘓患者通過意念控制多自由機械臂實現(xiàn)喝飲料等日常生活動作,。”王衛(wèi)群告訴南方日報記者,，“相對于植入式腦機接口,，肌電尤其是表面肌電使用更為方便一些，也更安全,，不足之處在于肌電對人體運動意圖有一定的滯后,，以及存在識別準確性等問題。目前,，采用非植入的腦機接口與表面肌電相結(jié)合來解讀人體意圖的研究,，已經(jīng)有一些初步結(jié)果?！?/p>