瘫患者福音这种由BCI控制的机械臂可以扭

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内森·科普兰（NathanCopeland）学会了用脑子来移动机械臂，但这有点慢。然后研究人员给了他一些反馈。人的手拳碰机器人手摄影：GETTY图像纳丹·科普兰（NATHANCOPELAND）于年因车祸而瘫痪，当时年仅18岁。尽管他的手腕和几根手指上保留了一些感觉，但他仍无法移动和感觉身体的大多数部位，以及只能做肩膀运动。大约六年前，他接到了研究团队的“您想加入我们的研究吗？“于是，在医院期间，他便登记加入实验研究。匹兹堡大学的一个团队需要一名志愿者来测试：一个人是否可以简单地通过思考来学习控制机械臂。这种对脑机接口的研究已被用来探索从恢复运动到瘫痪的人到开发新一代假肢到将思想转变为文本的一切事物。诸如Kernel和ElonMusk的Neuralink之类的公司正在普及这种想法，即植入大脑的小电极可以读取电活动并将数据写入计算机。纳丹·科普兰很兴奋。他回忆说：“这类研究的纳入标准非常小。”你必须受到正确的伤害，正确的条件，甚至必须住在正确的医疗中心附近。“我从一开始就认为，我能够做到，我能够做到，那么我怎么能不帮助推动科学发展呢？”他很快接受了外科手术，医生将扁豆大小的电极阵列粘贴到了他的运动皮层和体感皮层上。这些将读取他的大脑活动的电子信号模式，表明他即将移动手腕和手指。通过一种叫做脑机接口（BCI）的东西，这些冲动将转化为控制一个机器人肢体的指令，该机器人肢体位于实验室中他旁边的一个垂直支架上。科普兰开始每周三次从他在宾夕法尼亚州邓巴的家到匹兹堡进行实验室测试。经过三堂课，他可以控制机器人移动球体并抓住立方体，而所有这些都只需通过大脑意念即可。但这仅仅是开始。在《科学》杂志今天发表的一项研究中，研究小组报告说，纳丹·科普兰可以感觉到机器人手触摸的任何东西，就像体验着自己手指的感觉一样。在过去的几年中，他已经学会了用自己的意识来控制手，同时观察它如何活动的。不过，一旦研究人员向他增加难度，将执行任务的速度提高了一倍，他就很难进行操控。不管如何，这是机器人假肢的BCI首次集成了运动命令和实时触摸功能，同时，这也是向展示BCI如何帮助瘫痪患者摆脱病症困扰迈出的一大步。UPMC/PITT健康科学媒体关系的致谢匹兹堡大学的生物医学工程师詹妮弗·科林格（JenniferCollinger）说，触摸对于恢复活动能力非常重要，因为要充分利用未来的BCI假肢或BCI刺激的肢体，用户需要从手部获得实时触觉反馈（或机械手）进行操作。现在假肢的工作方式是，人们可以通过查看机器人的手指是否握住了东西来消除缺乏接触的捷径，但是当物体滑动，移动或视线不清晰时，眼球观察就没有多大用处了。Collinger说，在日常生活中，“你不一定要依靠视觉来完成很多工作。在与对象进行交互时，你依赖的是触摸感。”大脑是双向的：它接受信息，同时还将信号发送到身体的其他部位，传达大脑需要采取的行动。即使是看起来像抓杯一样简单的动作，也需要你的大脑来控制你的手部肌肉并聆听手指中的神经。由于科普兰的大脑在事故中并未受伤，因此从理论上讲，它仍然可以管理输入和输出对话框的能力。但是，他体内神经发出的大部分电信息都没有传送到大脑。匹兹堡团队将他招募到研究室时，他们想设计一种解决方法。他们认为，瘫痪者的大脑既可以刺激机械臂，也可以受到来自其电信号的刺激，最终将这种刺激解释为一种可以被感知的感觉。挑战在于使一切都变得自然。当Copeland想要扭转时，机械手腕也应该扭转。当他打算抓住时，手应该合上；当机器人小指触摸坚硬的物体时，科普兰应该以自己的小指感觉到它。在科普兰大脑中植入的四个微电极阵列中，两个网格从他的运动皮层读取运动意图以命令机械臂，两个网格刺激他的感觉系统。从一开始，研究团队就知道他们可以使用BCI只需向这些电极输送电流即可为谷轮创造触感，而无需实际触摸或机器人操作。为了构建该系统，研究人员利用了科普兰的右手拇指，食指和中指保留某种感觉这一事实。当研究人员坐在磁性脑部扫描仪上时，他在那擦了个Q尖，他们发现大脑的哪些特定轮廓与那些手指相对应。然后，研究人员通过记录单个电极的大脑活动，并想象出特定的运动，从而解码了他的运动意图。当他们接通电流到他的感觉系统中的特定电极时，他感到了。在他看来，这种感觉似乎来自他的手指根部，靠近右手掌的顶部。感觉就像是自然的压力或温暖，或奇怪的刺痛，但他从未经历过任何痛苦。柯普兰德说：“实际上，我只是盯着我的手，就像‘男人，真的感觉有人可以在那儿戳戳。’”一旦他们确定了科普兰可以体验到这些感觉，并且研究人员知道了刺激哪些大脑区域以在他的手的不同部位产生感觉，下一步就是让科普兰习惯于控制机器人手臂。他和研究小组在实验室建立了一个培训室，挂起了吃豆人和猫模因的海报。一周三天，研究人员将电极连接器从他的头皮上钩到一整套电缆和计算机上，然后当他抓紧块和球时进行计时，并让它们从左向右移动。几年来，他表现得非常好。他甚至为时任总统巴拉克·奥巴马（BarackObama）演示了该系统。但是，然后，科林格说：“他在高水平的表现上处于稳定状态。”一个非瘫痪的人大约需要五秒钟来完成移动物体的任务。科普兰有时可以在六秒钟内完成操作，但他的中位时间约为20。为了使他摆脱困境，现在是时候尝试从机器人手臂给他实时触摸反馈了。人的手指会感觉到压力，并且产生的电信号会沿着线状的轴突从手到大脑滑动。该团队通过将传感器放在机器人的指尖上来反映该顺序。但是，物体并不一定总是触及指尖，因此必须从其他地方发出更可靠的信号：位于机械手指底部的扭矩传感器。可以将机械手手指看作是一根仅在一端与机器人手掌相连的铰链的杠杆。除非BCI告诉他们移动，否则机械手的手指希望保持原状。沿手指长度向前或向后的任何轻推都会在该铰链处记录旋转力。“它可能不是最明显的传感器，”与Collinger共同领导这项研究的RobertGaunt说，但事实证明它是非常可靠的。来自该扭矩传感器的电信号闪烁到BCI，然后BCI刺激与科普兰相应的手指相连的植入式大脑电极。因此，当机器人的食指碰到一个障碍物时，谷轮便轻按了自己的食指。当他抓紧一个硬块时，在机器人关节处产生的坚强抵抗力使他产生了更强烈的感觉。将这种触觉直接传递给谷轮的手意味着他不必太依赖视觉。第一次，他可以感觉到机器人任务的完成方式。“它奏效了，”“我们第一次这样做，就像在某种程度上使魔术变得更好。”实际上，借助这一新的触摸信息，Copeland的速度提高了一倍，从而完成了出行任务。“我们谈论的不是几百毫秒的改善，”Gaunt说。“我们正在谈论的一项任务使他花了20秒钟来完成，而现在却要花10秒钟来完成。”播放/暂停按钮UPMC/PITT健康科学媒体关系的致谢Gaunt说，部分原因是因为它消除了Copeland的犹豫：“如果您无法感觉到手，你就可以捡起一些东西，花更多的时间弄弄该物体以确保确定。我将它放在我的手中？是的。我确定我已经把它放进去了吗？好。现在，我可以拿起它并移动它。”凯斯西洋大学的神经工程师博卢·阿吉博伊（BoluAjiboye）表示，实际上产生这种逼真的感觉信号是“一项重大胜利”。“这表明我们至少可以开始完全模仿自然运动和完整运动。”他说，重要的是，该动作不会出现任何明显的滞后。大脑的运行时滞约为30毫秒（脉冲从手传播到大脑所花费的时间）。但是，机器人每20毫秒将信号传送到BCI。根据Ajiboye的说法，这是触摸技术最重要的作用之一，因为这意味着用户可以实时感觉到机器人手的动作。这种感觉比视觉记录的快得多。视觉实际上是最慢的反馈形式。处理视力大约需要到毫秒。想象一下要抓住一个滑杯子。“如果您唯一知道它滑出您的手的原因是因为您可以看到它，”Ajiboye说，“您可以丢下杯子。”由于这是一种概念的早期证明，因此该系统存在一些局限性，例如不能随时用于家庭使用。谷轮必须进入实验室来操作机械臂。尽管团队为他提供了一个简化的BCI，他可以用它来控制他的个人计算机，但他不能穿它或不带它回家。“我玩过SegaGenesis模拟器，”Copeland说，“实际上我最终画了一只猫，后来变成了NFT。”它还依赖于有线连接。明尼苏达大学康复医学系的项目经理罗布·乌德利克（RobWudlick）说：“对我来说，门槛必须是无线系统。”十年前，他瘫痪了。尽管如此，他对BCI（甚至需要使用机械臂的BCI）帮助人们减少对看护者的依赖的可能性仍持谨慎乐观的态度。“能够控制机器人给自己浇水是一件很重要的事情，”Wudlick说。“关键优先事项是恢复我自己的独立活动性。”Gaunt小组现在正在调查为何科普兰的感觉并不总是那么自然，以及如何最好地控制抓握力以应对精致的物体或更复杂的任务。目前，焦点仍然集中在类似于人的机器人手臂上。但是他们设想采用这种方法来刺激人们自己的肢体付诸行动，这一想法已经在其他实验室中尝试过，或者将信号传递到骨骼或从骨骼中传出。“如果握力较弱，”Gaunt说，“你可以想象使用外骨骼手套来增强这种力量，以帮助你张开手合上手，这样你就可以握紧足够的力来握住一个物体而不丢下它。”那么，关于大脑的事情就是，它解码意图并从你扔给它的任何硬件或身体重新路由命令，它与肉体结合在一起，但是不受肉体的束缚。*本文由CyberDaily作者See编译，转载请联系后台。See

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