“刀鋒戰士”是怎樣煉成的

機械假肢的發展，正在使人與機器間的界限變得愈發模糊，或許在不久的將來，人類就將重新定義自己。

在所有參加2012倫敦奧運會的運動員中，來自南非的奧斯卡·皮斯托瑞斯無疑是最為特殊的一個。由于天生缺少腓骨和踝骨，皮斯托瑞斯在11歲時被截斷了膝蓋以下的腿部。然而這個缺少了雙腿的年輕人卻令人難以置信地成為了一名職業短跑運動員。

17歲時，因為裝上了類似于刀片的J形假肢，他的人生軌跡就此改變。倫敦奧運上，這雙造型獨特的假肢讓皮斯托瑞斯格外與眾不同，人們也因此送給了他一個外號——“刀鋒戰士”。

“印度豹”的誕生

皮斯托瑞斯身上安裝的假肢名叫“印度豹”，是由來自冰島的殘障人器械公司奧索（ossur）開發的。

“印度豹”由50-80層碳纖維構成，大約有8磅重。為了更適于跑步，“腳跟”還添加了一條耐克跑鞋的鞋底。

“印度豹”并不是奧索開發的第一款產品，它的前身“飛毛腿”早在1984年就已經發明出來，不過，當時主要是作為一款輔助日常生活的假肢，而并不針對專業級的運動需求。

“飛毛腿”的發明家范·菲利普是一位生物醫藥學工程師，1976年的一場事故讓他失去了一條腿。不幸截肢后的菲利普發現當時制作假肢的材料主要是木材和橡膠，使用起來的體驗并不好，因此他決定嘗試新的材料和技術來制作假肢，開發一款更加適合自己的產品。

最終，菲利普選中碳纖維作為新式假肢的制作材料。碳纖維長期以來主要用于航空航天領域，其最大的特性就在于重量輕、強度高、韌性好。而這些物理特性恰恰是“飛毛腿”J形彎曲結構所需要的。

“飛毛腿”一經問世就備受矚目，它的J形結構可以使假肢在著地時像彈簧一樣壓縮，當抬腳時能夠產生反彈，提供能量返還。

所謂的能量返還是指：運動中，著地、站立末期和預擺動期將能量返還到人體。能量返還得越少，就越容易感到疲勞。對健康人來說，這一過程是通過脛骨肌肉群和小腿三頭肌來完成的。但截肢手術使得殘障人士的這些肌肉喪失了功能，因此由假肢來提供能量轉換就變得很重要。

“飛毛腿”的設計能夠使安裝者的運動能力大大提升，于是1997年，奧索公司將“飛毛腿”升級，使之更加符合專業運動的特性。由于改進后的產品形狀與印度獵豹的后腿相似，因此它被命名為“印度豹”。

其實，除了“印度豹”之外，奧索還有另外一款運動假肢“FLEX-RUN”。“印度豹”主要針對的運動項目是100米、200米、400米跑和跳遠。而FLEX-RUN則適合馬拉松等耐力運動。

與“印度豹”J形不同，“FLEX-RUN”的形狀則與英文字母C相似，這樣的設計雖然使它在能量返還上比“印度豹”慢一些，但是緩震效果則更為出色，而這正是長跑這樣的運動所需要的。

皮斯托瑞斯對于“印度豹”的使用也曾引發一些爭議，2007年，國際田聯甚至特批了一筆5萬美元的研究經費，邀請專家測量“印度豹”是否能幫助殘疾運動員獲得比正常人更多的優勢，以便判斷是否批準皮斯托瑞斯參加奧運會。當時測試的結果是，無論是設計外觀，還是碳纖維材料的使用，“印度豹”都能幫助使用者在短跑中節省更多能量。

對這個結果，皮斯托瑞斯當然不服，他找來假肢運動理論學家以休·赫爾領銜的運動專家團隊，重新進行了測量，最終推翻了國際田聯的決定，獲得了參加奧運的資格。

幾年間，隨著皮斯托瑞斯穿著“印度豹”四處亮相，奧索也成為了全球最知名的假肢制造廠商之一。

智能假肢的未來

雖然在奧運會上奧索的假肢與“刀鋒戰士”一起大出風頭，不過，在專業人士的眼中，皮斯托瑞斯的“印度豹”假肢還只能算是“小兒科”。美國麻省理工大學媒體實驗室生物機械電子團隊的負責人Hugh Herr此前接受媒體采訪時就曾表示，“印度豹”并沒有使用神經傳導，因此技術含量并不夠高。言下之意就是，高科技假肢的評判標準在于是否使用了神經傳導技術。

正常情況下，人移動手臂時，大腦會產生電信號，信號通過神經傳導至手臂，激活手臂肌肉，從而完成移動手臂的動作。當人的手臂被截肢后，殘肢仍舊能夠接收并保留大腦傳輸的信號。

因此，對于真正的智能假肢來說，能夠解讀這些殘留信號，并且將之進一步轉化成為電腦指令從而驅動人造手臂做出相應運動就成為了技術的關鍵。

2010年，美國國防高級研究計劃局批準了一筆預算高達3450萬美元的研究經費，用于資助馬里蘭州的約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）進行智能假肢系統的研究。

APL的科學家和工程師們不僅開發出了兩種復雜的原型系統。此外，還制造出了植入式微型芯片，用于記錄大腦的信號并對大腦特定部位產生電信號刺激。

今年1月，這項研究取得了突破性的進展，在沃爾特里德國家軍事醫療中心，項目小組為一名傷殘美國士兵成功安裝了新型智能化假肢。該假肢能夠提供22個獨立運動的關節，甚至連每個手指都可以獨立活動，而總重量大約只有9磅，幾乎達到以假亂真的程度。

就在APL的研究取得突破的同時，在NASA Tech Brief主辦、PTC贊助的“科技創造未來設計大賽”中，College Park Industries的設計師Mike Leydet率領研發團隊推出的新型無線傳感器iPecs Tech獲得電子科技類一等獎。

iPecs系統（智能假肢內部骨骼組件系統）是世界上第一個專門為測量截肢患者的步態、步法而設計無線傳感器。當被安裝在假肢內部時，它是唯一能夠測量力量、運動和加速度狀態的裝置，可供研究人員通過無線傳輸收集假肢使用者的日常活動數據。研究者利用這些數據可對假肢做出相應的調整，使假肢使用者的步態對齊和關節活動度接近四肢健全的人們。

得益于假體產品的設計進步，愈來愈多的殘障人士正在獲益。倫敦奧運后舉行的殘奧會上，美國運動員Matt Brown穿著馬里蘭大學帕克分校研制的比目魚肌腳參加了鐵餅項目，日本運動員Maya Nakanishi也在田徑比賽中使用了該裝置。

根據業內人士的介紹，智能假肢技術的重要方向是與腦機接口技術相融合。

腦機接口技術能夠實現人腦與計算機等外部電子設備間的直接通信，這意味著，將來人們可以直接通過大腦操控復雜的機械設備。而隨著智能假肢技術以及動力外骨骼等相關技術的進一步發展，它們的服務范圍將不再僅僅局限在殘障人群，而會展現出更為廣闊的市場空間，鋼鐵俠身上那套無比神奇的盔甲也將從科幻電影中走向現實。

機械假肢的發展，正在使人與機器間的界限變得愈發模糊，或許在不久的將來，人類就將重新定義自己。