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揭秘高科技仿生手臂:肌肉与神经间完美融合

发布时间:2012年03月22日 15:33 | 进入复兴论坛 | 来源: | 手机看视频


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  据国外媒体报道,2008年11月1日晚,在巴格达巡逻的装甲运输车遭到武装分子两颗手榴弹的袭击,其中一颗将运输车舱门击穿,融化的高温铜液贯通了警长格伦·雷曼(Glen Lehman)的右肘,随后滚烫的液态金属继续蔓延到雷曼的腿上。虽然在二十分钟后抵达了野战医院,并由直升机转移到四十公里外的巴拉德联军基地。这时的雷曼失血量几乎全身血液的一半。来自德国的医生将雷曼肘关节以上的手臂部分全部切除,并最终运送到位于美国华盛顿的沃尔特·里德(Walter Reed)陆军医疗中心。

高科技假肢一直是仿生学的研究方向之一

  通常像雷曼这样遭遇的老兵会得到一个安装假肢的手臂,如果运气好的话,他会继续活下去。但是雷曼的假肢需要一个合适的形状,因此医生进行了一项被称为针对性肌肉神经移植术(TMR)的实验手术,手术成功的话雷曼将获得一个非凡的高科技仿生假肢。主刀实验手术的外科医生小心地剥开他的手臂神经,这些神经通常是控制手肘部位的活动。他的末梢放射状神经结构可控制手掌的打开到三头肌外侧,而中间神经则是控制手的合拢到肱二头肌的内侧。

  外科医生进行的手术可算是一种怪异的“创造”,并会产生神奇的影响。戴上高科技假肢后,当雷曼想移动他已经失去的右臂时,皮肤就会出现涟漪褶皱,而大脑依然照常发出物理信号。当他试图合拢手时,人造二头肌在神经兴奋的传导出现收缩。重新“修改”的神经路线可以提高控制神奇仿生假肢的能力,这款高科技仿生假肢的原理是使用计算机读取由肌肉中产生肌电脉冲。雷曼戴上他的新胳膊后,可算是一个真正的半机械人,但是他并不是科幻小说中的生物体,位于芝加哥的机体复原研究所仅用了三次实验就将雷曼的高科技仿生假肢安装到他的身体上。

  此外,研究人员在其衣服的袖套处附上八对盘形电极,以控制肌电的活动。最后这个假肢穿过袖筒并与雷曼的身体进行微调适应,通过缠绕在躯干上的吊索定位。这款新型高科技仿生手臂是国际化的集成产物,被喻为“怪物集合”。因为肘部和前臂来自位于马萨诸塞州的一家公司,可旋转的手腕来自德国,手掌则由中国生产。总重量为4.84磅。雷曼在启动仿生假肢前使用正常的左手点击位于假肢手肘部分的按键,假肢的自动升降调整装置就开始工作,可弯曲肘部、然后还可伸直,旋转手腕。通过整个测试运动过程,假肢画出了一个完整的圆圈,虽然过程使人紧张不安,最后拇指和食指还可闭合并再次展开,看起来像是机器人练太极。

  雷曼目不转睛地望着这款高科技仿生手臂,并通过想象控制手臂的运动,就像控制他曾经的手臂所采用的方式一样。控制手臂时可集中精神练习手臂与躯干的连接部位,触发这部分的电极引导神经肌肉的活动。一个手机大小的小型计算机镶嵌在雷曼肩部的吊带上,它是控制手臂各种动作的中央处理器,存储这各种关于手臂运动的指令。比如当手握紧时,雷曼可以“告诉”计算机“捏”这个动词,计算机就会记住他思想活动中关于捏的信息,记录下对应的肌肉活动信号。

  但是,如果雷曼将镶嵌在背部吊带上的传感器脱下,那么他下次要指挥机械臂执行“捏”这个动作时就要重新为计算机示范一遍,这是因为肩部的传感器只能记录当下位置的肌肉活动信号,一旦移动了传感器的位置就需要从头再来。雷曼机械臂与躯干连接位置随着每天的练习、肌肉的张开和收缩,皮肤也开始延展开来,从根本上讲大脑的活动也会随着机械臂的加入而改变,每天他可观察自己的机械臂以不同的方式运动。

  在必要的培训结束后,雷曼开始展示了这款高科技仿生机械臂的超高性能,他能够捏起夹克上的拉链头,类似与正常人使用拇指和食指才能做到的动作。他还可以用机械臂伸入冰箱,拿出一个饮料瓶,甚至可以捡起一个硬币并投到一个投币口中。不过,雷曼现在的控制远非完美,之前他在控制机械臂正确握住拉链时尝试了好几次才成功。

  雷曼现在练习仿生机械臂时如果将瓶子跌落,就用正常的左手捡起,放回冰箱中继续尝试。虽然联系过程是反复而且艰苦的,但是这款高科技仿生机械臂比传统的假肢“聪明”很多,以往需要数个月的时间才能适应。雷曼认为他现在需要实践练习,从不得不控制机械臂并告诉它该做什么,变成自如地控制机械臂,让它听从自己的想法。

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