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仿生肢:高科技让人类无限奔跑

  • Update:2012-02-22
  • 来源: 广州日报

        在美国科幻电视剧《无敌金刚》中,科学家利用仿生科技将一名重伤飞行员的手脚换上价值600万美元的电子假肢,使其可以通过意念控制,结果让他拥有了超能力。

       殊不知,真实版智能仿生假肢,正在将科学幻想故事变成现实。

       南非小伙奥斯卡·皮斯托瑞斯生下来就缺少腓骨和踝骨,才11个月大时就被截去膝盖以下的腿部。然而,凭借顽强的毅力,经过艰苦的训练,2008年,奥残运会上,他的百米成绩是10秒91,只比奥运冠军“飞人”博尔特的百米成绩慢了一秒,被称为世界上跑得最快的无腿人。除了天才、勤奋之外,带给他如此惊人成绩的是他那对只有8磅重的高科技碳纤维假肢。随着奥斯卡一次次打破世界纪录,这对L形高科技假肢成为备受瞩目的“明星”。

       我们不禁猜想:未来,随着科技进步,带上假肢会不会比真人腿跑得还要快?

仿生肢:大脑、肢体联动,生活无局限

       科技的发展永远在试图突破人的局限,帮助肢体残缺的残疾者排除障碍的尝试也从未止歇。最近几年,“仿生肢”横空出世,带着高科技的时髦外观,让人们看到未来人类迈向“生活无局限”理想的曙光。

       许多人认为,仿生肢就是外观上看起来和人本身肢体几近无异的假肢,最大的优点就是以假乱真。其实,这是对仿生肢概念的误解。据德林义肢公司刘金兰主任介绍,更接近人体外形的有壳假肢在美观之外反而会在一定程度上束缚假肢的运动,看起来没那么逼真的骨骼式假肢,则能去除“外壳”的束缚,更加灵便。“中国人比较含蓄,喜欢采用有‘皮肤’外壳的假肢,在国外使用的则较少。”

       从英文组词的构成来解释,仿生学=生物+电子,也就是把生物原理应用于工程系统特别是电子系统的研究与设计。据世界顶尖矫形和护具公司冰岛奥索公司介绍,仿生肢是将传感器技术、人工智能和驱动装置技术、生物学原理应用到假肢,使假肢不再只是被动的假体,而是会思考的、人体的一部分。

       比如,步行是通过下肢与大脑的互动完成的。如果失去了肢体,这种互动就会停止。如今,假肢不仅仅是给予残缺的肢体以支撑,而是凭借仿生学技术试图恢复这种联合反应。奥索公司就是通过高精度传感器、驱动器技术与人工智能技术融合,使人脑和假肢产生感应,使人在佩戴假肢后能够自如行动。

       目前,仿生肢已开始推广至商业应用。英国广播公司制片人斯图尔特·休斯在伊拉克报道战争时,不小心踩到地雷,失去右小腿。如今,休斯正在应用冰岛奥索假肢公司研发的新型仿生足。“它和我以前的假肢很不一样。过去我总是要考虑前方的地面状况,相应调整假肢。但是仿生足可以自己应对这些问题,就像真正的人腿一样。”

       2005年,日本人发明了一种机械骨骼装置,帮助老年人或不能走的人行走。这一装置名为“混合义肢”,其实和仿生肢相似。这套装置的“大脑”,是一部放在背囊里的计算机,可以模仿佩戴者的步态和身姿,生物电传感器将信号从大脑传给肌肉,因此,它能预测佩戴者想做的动作。

       记者在采访中发现,作为新鲜概念,“仿生肢”的概念在假肢界并没有达成共识。德林义肢是一家已经拥有近60年假肢研发生产经验的公司,据德林公司技术主任刘元洲介绍,由电路板控制的电子手、电子膝、电子腿已有十几年历史,在他看来,这些电子假肢其实和所谓的“仿生肢”并没有太大差别。德林公司刘金兰主任补充说:“以前假肢技术考虑得没有那么周全,现在则更逼真,更接近正常步态。”

       省人民医院骨科主任郑秋坚则介绍说,随着电子技术的发展,在假肢中加入电子控制技术分为两个阶段,从机电原理到神经电位原理。由机电原理控制的假肢,是在假肢上装电子回路,电子接收器接收残端肌肉收缩电位,将信号放大后通过电子装置控制假肢。神经电位原理控制的假肢则是通过收集大脑活动产生的神经电位,借助电子装置处理分析其指令,再控制假肢的活动,从而进入人工智能的层面。

受美军“电动靴”启发

       在影片《星球大战》中,卢克·天行者的手被砍掉后,可以到机器人部门更换一个完美无缺的替代品。如今,现实中,具有智能感应的仿生肢也正在努力成为“完美的替代品”。

       奥索公司工程师里查德·海伦斯介绍说:“仿生足内装有传感器,可以感知使用者是在走平路还是在爬楼梯。每种地势都有对应的独特信号,由电脑软件瞬间解读。现在甚至有人使用这种仿生足攀登喜马拉雅山。”

       另一位试用者,英国曼彻斯特少年斯科特·沃尔介绍,仿生足的另一优点是脚踝十分灵活。这是奥索公司依靠其独有的踝关节模拟技术开发出来的。使用中,仿生足传感器对地形做出准确判断,然后指挥脚踝做出恰当调整。使用者可以在起立和坐下时像正常人一样把双脚向后收拢。行走时,灵活的脚踝会自动指示脚尖提起来,与地面保持合适的距离。

       上下楼梯、坐下、起立,这些在正常人极为简单的动作,对于下肢残疾的人来说却非常困难,假肢技术的高超与否也充分体现在这些环节上。美军曾经研究过电动靴,希望帮助士兵负重长跑。奥索公司仿生足“本体”的出现就是基于这种研究。 现在,美国一些医生给伤残士兵装上“本体”,并发现它非常灵巧。军方打算把这种技术尽快应用到这些伤残士兵身上,它甚至可以帮助截肢士兵重返战场。

       物理疗法专家凯特·舍曼在英国一家士兵康复医疗中心工作。他们主要帮助伤残军人重新归队服役。舍曼说:“这项技术给我们的康复工作带来新的灵感。我们正在密切关注仿生足的研制进展,希望将来能有机会参与它的进一步研发。”

只比奥运冠军慢一秒

       在当今世界短跑体坛上,奥斯卡是个无法忽视的名字。这位出生于1986年的南非小伙至今是残疾人100米(10秒91)、200米(21秒58)和400米(46秒23)的世界纪录保持者。人们称之为现实版“刀锋战士”、“世界上跑得最快的无腿人”。奥斯卡的惊人速度被教练比喻为“没有二挡的五速引擎”。

       2008年北京残奥会上,奥斯卡也是当之无愧的明星。他一举夺得100米、200米以及400米比赛的三金,被记者围堵一个小时之久。赛场上,特别引人注目的是奥斯卡膝盖下那两条闪着寒光的黑色刀锋形状碳纤维假肢,那是他的专用比赛假肢——“猎豹”。

       这款价值1.5万英镑的仿生肢,由冰岛著名残障人器械公司“奥索”(ossur)研制。它由50~80层碳纤维构成,大约有8镑重。为了更适于跑步,“脚跟”还添了一条耐克跑鞋的鞋底。由于价格昂贵且难以控制,全球的使用者不到300人。奥斯卡在11个月大时就截掉了膝盖以下的腿部,但他凭借顽强的毅力,成为举世瞩目的短跑名将,速度甚至能和正常运动员一较高下。2004年,当奥斯卡装上这对高科技碳纤维假肢后,更是如虎添翼,连续26次打破残疾人世界纪录。

       据奥索公司介绍,过去十年中,曾有许多截肢运动员在国际比赛中使用这款名为“猎豹”的假肢。它被杰出的截肢运动员们视为假肢的黄金标准。2004年雅典残奥会上,100米、200米以及400米比赛的获奖选手都使用它。

       猎豹由碳纤维复合材料构成,呈现J形外观,具有突出的性能,能够模仿体格健全的运动员脚部及踝关节的反应,存储或释放能量,是专为希望参加竞争性或者娱乐性的赛跑活动的单边或双边膝下及膝上截肢人员而设计的。

       这款假肢的原理非常有趣,奥索公司向记者介绍,它属于“被动式”假肢产品,使用受专利权保护的碳技术,有效地存储或释放使用者在赛跑过程中所产生的能量。这种特殊短跑脚的外形与猎豹的后脚有几分相似,因而取名猎豹,它的功能类似一个弹簧减震器。“J”曲线受到外部力量冲击时收缩,能够存储能量,吸收过大的压力,从而有效地减轻使用者膝盖、臀部以及下腰椎要承受的压力。当脚趾脱离地面时,“J”曲线返回到原来的状态,释放所存储的一定比例的能量从而推动使用者向前迈进。

       在设计上,“猎豹”科技含量也很高,在材料的应用上颇为考究。承受压力大的支点,例如“J”曲线的顶点位置,采用更多层的碳材料。而灵活性要求高的地方,例如脚趾部位则使用较少的碳材料。更特别的是,这种假肢竟然没有脚跟。与传统的假肢相比,它能够通过使用者站立在“他们的脚球”之上,准确地模拟一个体格健全的运动员,并能够通过负荷信息更为快速地做出回应。和传统假肢相比,“猎豹”使得截肢运动员能够最终接受为期更长、难度更高的训练,表现更为突出。

       然而,众人有所不知的是,如此神奇的假肢其实并不是属于仿生肢范畴。据奥索公司介绍,“猎豹”不是仿生脚。“仿生肢体的构成中通常会包括传感器、微处理器、电动机等构件,能够根据在整个步态周期中捕捉的回馈信息,为用户提供动力驱动动作或反应。而‘猎豹’是被动型假肢,它需要释放跑步加载阶段所存储的部分能量。”奥索公司介绍道。研究表明,“猎豹”能够返回被施加的90%负荷。相反,一个正常健全的脚/脚踝/腓系统能够返回249%的负荷。

       由于“猎豹”带给残疾运动员的“无局限”运动体验,其发明者范L·菲利普斯(VanL. Phillips)也因此被提名为欧洲专利局2008年度发明人。而菲利普斯亦是一位残疾人士。他在1976年的一次滑水事故中失去了他的脚,当时他是一名21岁的学生。没想到多年后他的创新却使今天世界上截肢运动员获得了更大的“自由”。

仿生肢:动辄二三十万元

       最早使用假肢的记载是希腊历史学家Herodotlis所记录的历史:公元前848年,比利时军人Hegistatu被俘虏,当听到宣判死刑时,他自己截断了自己的下肢,以后又装了木制假肢,作为一个寓言家又再次活跃起来。在欧洲历史博物馆内可以看到15世纪的假肢,当时的假肢是由制造铠甲的武器制造者制作。17世纪,开始用木材制作假肢的接受腔,用金属制作假肢的膝关节。这种方法在1839年传入美国,成了美式木制假肢发展的母体。

       据德林义肢康复器材主任刘金兰以及技术主任刘元洲介绍,随着技术进步,假肢越来越“逼真”。从最初的木头、铁皮,到如今轻便耐用的钛合金、碳纤复合材料。早期的假肢需用吊带绑在身体上,常常造成接触部位的磨损。如今,则采取真空负压悬挂的方式,假肢将残端真空包裹,不会磨损。而相比机械假肢,利用外电源、电磁为主的电子假肢和采用仿生学技术的仿生假肢则更胜一筹。电子假肢是利用外电源使人体肌肉产生生物电,通过感应器进行信号的放大、处理和转换,使肢体收到指令,从而带动肢体的运动。“机械假肢是靠外力带动,而仿生技术是由微电脑控制。”刘金兰主任告诉记者,行走时的跟随性,以及交叉上下楼梯等动作,是机械假肢无法完美完成的,但电子假肢则可以通过程序设置来帮助患者完成动作。

       在德林义肢广州分公司的康复训练室中,记者看到不少初装假肢的残疾人士正在进行积极的步行以及上下楼梯的训练,刘金兰指着一位正在跟随病人来回走着、悉心指导患者训练的“导师”对记者说:“这位年轻的医生几年前因车祸一条腿被截肢,两年前开始佩戴假肢,如今走起路来竟然和健全腿没有一点差别。肢体上的康复很重要,更好的产品可以进行功能的补偿,但重塑信心、心理康复更为重要。”刘金兰主任说。在科技日新月异的今天,只要满怀信心坚持不懈地训练,对肢残人士来说,跑步、登山、打球、骑自行车全无障碍。

       仿生假肢固然好,但造价不菲。拿下肢来说,普通假肢几万元左右,而采用仿生技术的假肢却动辄二三十万元人民币,并非普通工薪家庭所能承受。价格的高昂也是如今电子假肢在国内使用率较低的原因。而冰岛奥索公司对记者表示,该公司目前在中国境内尚无推广仿生肢业务。

未来:“假肢”可代替真脚?

       美国未来学家Paul Saffo 认为:人类的未来是以生物科学和机器人科学为主。人类会发明自己器官的代替品来躲避疾病或延长寿命。例如未来的半机械半生物假肢将会代替人体现有的手臂来开汽车。只是,不知道当科幻大片变成现实,这种半生物半机械的接入,是否也意味着人类开始进入了一种新的物种演变中。我们是否会逐渐对这些技术形成依赖,未来世界将充满各种怪异的机械生物人类……科技可以成就人类,也可以毁灭人类。

       北京奥运会前夕,奥斯卡一直争取参加正常人的奥运会。国际田联起初禁止,因为关于他“是否能够从假肢中获益”存在争议。最终奥斯卡胜诉,使他成为世界上第一个被允许参与健全人奥运会的残疾人,但是因为诉讼浪费了许多时间,他还是错过了北京奥运会。

       尽管获准参加2012年伦敦奥运会,但体育界围绕奥斯卡的高科技假肢仍有争论。有人认为,依靠假肢能够比健全运动员节省25%的体能,并且不会受到肌肉运动过程中产生乳酸影响。

       科技进步锐不可当,畅想未来,佩戴假肢是否会让人跑得更快?郑秋坚主任以及刘金兰主任都表示,这在未来并非没有可能。“关节功能最复杂、最难控制,单纯穿上假肢可能跑不过健全人。但是如果在假肢上装有像电动自行车一样的动力装置,速度则可能超越常人。”但回到现实又谈何容易。“人体非常精密、复杂,目前普通的电子手能做到的仅有三个自由度:抓握、曲腕和旋腕,要做到分指运动在目前看来还非常困难。”

       同样,使用“猎豹”的四届残奥名将、美国人布莱恩表示:“假肢越来越接近人类的脚,但我们都知道,它永远不可能代替真正的脚。”

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