研究發現：機械手臂也能有「觸覺」

近日，在《科學》雜誌上發表的一項研究表明，當四肢癱瘓的病人用意念控制機械手臂時，機械手臂可向這個人的大腦提供直接的觸覺反饋。這極大地改善了癱瘓病人的假肢功能，使病人能夠快速完成一個動作，例如將水從一個杯子倒入另一個杯子。

35歲的科普蘭來自美國賓夕凡尼亞州費耶特郡的鄧巴鎮。在他18歲時發生了一場車禍，導致他脖子以下的部位都無法移動。自2014年以來，他一直自願參與匹茲堡大學康復神經工程實驗室的一項研究。

研究人員在科普蘭的大腦中植入了微小的電極。兩套88根電極，一根髮絲的寬度排列成「陣列」，類似於細毛刷，並深入到大腦的運動皮層，該運動皮層指導運動。他現在已經學會了通過腦—機接口控制機械臂的運動。

Having the sensation of touch makes quite a difference for Nathan Copeland, even if it’s a simulation.

The 35-year-old man from Fayette County, lost the sensation and most of the motion in his limbs at 18 when he broke his neck in a car crash. https://t.co/cRLduxutCz
— TribLIVE.com (@TribLIVE) May 20, 2021

近日，在《科學》雜誌上的一篇論文中，匹茲堡實驗室的一個生物工程師給予了詳細介紹。研究團隊使用雙向腦—機接口，記錄運動皮層的神經活動，並通過皮質內對體感皮層的微刺激產生觸覺感覺。當科普蘭收到來自人工肢體的觸覺反饋時，他可以通過意念操控機器手臂。這是通過他的體感皮層中的電極傳遞的，體感皮層是大腦中處理身體感覺信息的區域。

在實驗中，科普蘭可以把不同大小的管子、球體、杯子等東西從桌子上移到一個高台上。他用手臂抓取並移動物體的時間減少了一半，從20.9秒減少到10.2秒。他說：「這種感覺增強了我的信心，我知道我確實抓住了這個物體，並可以抬起它。」

他說：「我是世界上第一個在感覺皮層中植入電極陣列的人。它們（電極）可以直接刺激我的大腦。」「我感覺好像來自我自己的手。」

「雖然這種感覺並不自然，就像是一種稍帶壓力的輕微觸痛，但這沒有關係。」他說，「我覺得觸痛是我必須習慣的感覺，做試驗時有點觸痛感很正常。」隨著研究的推進，越來越多的電極被用來模擬他右手的食指、無名指和小指。

目前，匹茲堡團隊正在測試科普蘭用機械臂抓取物體時，控制壓力的能力。實驗包括讓病人拿起一個虛擬雞蛋。如果握力過大，試驗的管子就會斷裂。

該論文的共同作者、物理醫學和康復系副教授珍妮弗‧科林格說：「這就是我們所期待的，但還沒有完全達到預期。這確實提高了病人抓取物體的能力。」

該團隊希望進一步完善假肢，科林格說，我們「不想只在實驗室中進行科學實驗」，更希望機械人系統能用於那些失去手臂功能的人在家裏使用。也許可以將其與其它技術結合起來，通過刺激受試者手臂的肌肉或神經來恢復功能。

這項工作得到了美國國防部高級研究計劃局的協助，屬於「假肢革命」修復計劃的一部份。#

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