正文 世界杯上的腦控機械腿(2 / 2)

穿著外骨骼機器衣的平托為巴西世界杯象征性地開出的第一球,就是在如此複雜的數字指令的驅動下而完成的。

“重新行走”的曆史和未來

讓大腦指揮人體機械裝置(如機械手或機械腿)行動的設想和研究可以追溯到二十世紀60年代。1978年,腦機接口的研究初現光芒,第一個直接植入人類大腦的視覺輔助裝置產生。這是一個帶有68個電極的陣列,被植入一位成年的後天失明者,使這位患者產生了光感。除了植入大腦的電極陣列,這套設備還包括一個安裝在眼鏡上的電視攝像機,負責向植入大腦的腦機接口傳送視覺信號。由於當時計算機技術有限,與這套係統配套的是一台重達2噸的巨型計算機。

二十世紀80年代,美國約翰·霍普金斯大學的研究人員探測到獼猴手臂運動方向與其大腦單個皮質運動神經元的電信號,但由於所用試驗設備的計算能力所限,無法記錄大量大腦運動神經元的電信號。

後來,美國杜克大學神經工程中心、德國慕尼黑工業大學、瑞士聯邦理工學院以及巴西埃德蒙與莉莉·薩夫拉國際納塔爾神經科學研究所等科研機構聯合發起了“重新行走”項目,即研製外骨骼機器衣的計劃。最初的研發隻有幾名研究人員參與,到後來全球陸續共有170多名研究人員參與到這項研究中。

1990年—2010年是“重新行走”項目動物試驗取得關鍵進展的時期。尼科萊利斯等人研製出了更適合植入大腦的傳感器。這種傳感器稱為即微細線。它首先被植入大鼠和猴子的大腦進行試驗,結果表明,靈敏的微細線傳感器可以探測到動物大腦額葉和顳葉皮質中成百上千個神經元發出的微弱電信號(動作電位),而額葉和顳葉皮質正是自主運動的主要控製腦區。這就證明,腦機接口的基礎是存在的。因為,隻要有大腦信號被收集,就可以把信號傳輸到機械臂、機械手和機械腿,讓它們行動起來。

2011年,尼科萊利斯等人的試驗取得突破性進展,有兩隻猴子學會了利用神經信號控製電腦中的虛擬手臂去抓取虛擬物體。在動物試驗取得成功後,2013年研究人員招募殘疾人誌願者進行人體試驗。從此,在世界杯開幕式上讓外骨骼機器衣所控製的機械腿踢出第一腳球,就成為尼科萊利斯研究團隊的重大目標,他們將之看做檢驗腦機接口的機械腿能否成功的標誌。

為此,研究人員在一小群在巴西培訓的癱瘓青少年中選出一些誌願者參與試驗。結果表明,置入大腦中的傳感器與大腦神經元相連的越多,外骨骼機器衣接收的信息就越精確,機械腿完成的動作也就更加準確。

顯然,現階段的腦機接口裝置還不理想。人們在世界杯開幕式上看到,平托隻是輕輕地觸碰了一下球,而不能像運動員一樣大力開球,把球踢得又高又遠。盡管如此,這已經是一個良好的開端。

另外,癱瘓者穿上外骨骼機器衣後還需要訓練才會操作這套衣服和其中的假肢。在訓練中,穿衣者通過與地麵的連續接觸,感知機械腿的位置,並逐步積累感覺經驗,使其能夠在球場或人行道上從容而自如地走路並踢球。經曆這一過程後,穿衣者的大腦就可以把機械外套當作自身身體的一部分了。

顯然,用這些標準來衡量,現在的外骨骼機器衣還有一定的差距。但是,通過不斷改進,這種腦機接口裝置將不僅能幫助癱瘓者站起來並做踢球等動作,也將對肌萎縮性脊髓側索硬化症(漸凍症)、帕金森氏病和其他運動障礙患者有所幫助,讓他們能自如地伸肘、握拳、行動和說話。如果這一技術最終達到理想效果,不僅世界杯足球賽開球的一幕將更加令世人驚奇,而且,患有運動神經元疾病的英國物理學家霍金將來也有希望站起來行走和說話。