利用大腦同時控制兩個仿生手臂

編譯 胡德良

在美國巴爾的摩市一座由醫院病房改造而成的小實驗室里，一位禿頭男子坐在輪椅上，電線從他的頭部連接到計算機上，這些計算機上連著似乎正在自行移動的黑色假肢，而這名男子真正的手臂彎折著放在大腿上。兩名研究人員向他發出命令：“左，上，再向上，右，下……”并記錄著來自視頻監視器的數據。

這位男子名叫巴茲·赫梅萊夫斯基（Buz Chmielewski），他面露怪相，試圖將假肢伸展到貼在白板上的一組紅色布球和藍色布球上。他咕噥道：“抓住抓住，向前伸。來吧，往這邊來！”其中一只仿生碳纖維手臂慢慢地上升并伸展開來……他正在使用大腦的信號來控制手臂。

這項實驗可以幫助四肢癱瘓的患者執行他們目前無法完成的任務，并且可以幫助開發未來的機器人員工。這是約翰霍普金斯醫院的醫生與約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL）的工程師進行的合作項目，APL是一家非營利研究中心，這項實驗的資助來自美國國防部。美國國防部希望了解：有朝一日，士兵是否能夠僅使用思維的方式來控制無人機或其他運載工具。

赫梅萊夫斯基是一名志愿者，他不會直接從這項研究中受益，也不會因此而獲得一套新裝備，但他希望收集到的數據能對其他人有所幫助。16歲時，在馬里蘭海岸發生的一次沖浪事故致使赫梅萊夫斯基的肩膀以下癱瘓，僅能使用肩膀和手腕的部分功能。2019年1月，在受傷33年之后，約翰霍普金斯醫院的醫生通過手術將六個被稱為多電極陣列的設備植入了他的大腦表面。三個陣列連接到赫梅萊夫斯基控制左右臂的大腦區域，其余陣列連接的大腦區域負責傳遞來自假肢手指的感覺反饋。

經過10個小時的手術，赫梅萊夫斯基的頭上留下了三個扁平的金屬旋鈕，這些旋鈕是電極陣列的連接端口。有時，赫梅萊夫斯基喜歡用微小的紅色角質物來裝飾端口，營造出滑稽可笑、猶如魔鬼的外觀。在商務會議上，盡管他通常戴著棒球帽，但他偶爾也會摘下帽子使客戶感到一種友善的吃驚。

在過去的30年中，赫梅萊夫斯基一直獨立生活著。他說：“談及我頭上的機關，我沒有任何難堪，這是一種很好的談資。如果我正在與遭受脊髓損傷的人進行交談，我就會告訴他們，這就是即將出現的可能會使其受益的技術。”

赫梅萊夫斯基住在巴爾的摩北部，每周去約翰霍普金斯醫院三次，每次進行三至四個小時的訓練。隨著時間的推移，如果專心的話，他已經能夠掌握移動假肢的技能。赫梅萊夫斯基說：“我必須放松整個身體。”

赫梅萊夫斯基一想到移動手臂時，神經信號就會從他的大腦傳播到計算機，然后再傳播到假肢。當假肢手觸摸某物時，微小的傳感器會將信息發回到他的大腦。對赫梅萊夫斯基來說，即使信號通過計算機和假肢變換了傳播路徑，他的感覺仍像自己的真手正在觸摸某物。

赫梅萊夫斯基試圖使假肢伸向一組紅色和藍色的布球

赫梅萊夫斯基說：“假肢手接觸到不同的地方，我就會有不同的感覺。有時感覺到一種壓力，就像有人在握住你的手一樣；有時感覺就像手指擦蹭到細砂紙上。”

研究小組通過多電極陣列讀取赫梅萊夫斯基的大腦信號，這些信號有助于開發一種機器學習算法，而這種算法可以破解用戶的意圖，并將其轉變為一種特定的神經信號模式。然后，計算機會轉化這些神經信號模式，用以指導手臂的動作。隨著赫梅萊夫斯基在腦機接口方面進行更多的訓練，這種算法會“了解到”他的想法，然后移動手臂，頗像多練習打網球會使人更加擅長網球運動。

科學家將人的大腦跟兩條仿生手臂連在一起，同時還可以從其手指獲取感覺反饋，這在世界上尚屬首次。如果能夠取得成功，該實驗將在中風患者、其他四肢缺失人員等的治療方面帶來重大進展。

帕博羅·塞爾尼克（Pablo Celnik）是約翰霍普金斯醫院研究理療與康復的教授，也是這項實驗的主要研究人員。他認為，有朝一日，像赫梅萊夫斯基這樣的患者將能夠使用兩個仿生手臂打開啤酒、打字或打籃球。他說：“經過一段時間之后，受思維控制的手臂可以連接到患者身體周邊的外骨骼上，這將有助于執行某些任務。我們的目標是隨著時間的推移，使大腦和仿生手臂之間的連接運行起來更像大腦的運作那樣——患者無需做出有意識的決定就可以移動手臂，手臂的移動會自然而然地發生。”改進腦機接口也意味著，最終將兩個手臂作為一個整體一起運行，而不是將其作為兩個單獨的設備。如一只手拿著釘子，而另一只手拿錘子將釘子釘在墻上。一只手臂成為助手，另一只手臂發出精細的動作。

約翰霍普金斯醫院的這個項目是歐美正在進行中的幾個項目之一，這些項目旨在直接通過大腦控制來恢復假肢運動。2018年，美國國立衛生研究院向卡內基梅隆大學、芝加哥大學和匹茲堡大學醫學院的研究人員提供了800萬美元的獎金，鼓勵他們擴大現有試驗的規模，使殘疾患者通過直接將大腦信號傳遞給假肢來恢復手臂和手的功能。

由于赫梅萊夫斯基與約翰霍普金斯醫院的合作涉及兩條假肢和手指的感覺，因此更多的患者可能會從他參與的實驗中受益。但是，面臨的挑戰也更加嚴峻——控制兩只手臂比控制一只手臂更為復雜，計算機須處理的數據要多得多。未來，雙仿生手臂系統也有可能安裝到機器人上，執行人類不愿意執行的骯臟、危險或無聊的任務。

2006年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）開始了一項研究工作，這次思維控制的雙手臂實驗是DARPA那項研究工作的延續。美國軍方的想法是，迅速改善上肢假肢技術，并為用戶提供新的操作方式。在塞爾尼克團隊和赫梅萊夫斯基正在測試的兩只手臂中，有一只手臂在2018年跟隨一位佛羅里達的男子回家，他用這只手臂在鋼琴上創作、彈奏、甚至學習了一些曲子。此后，他將這只手臂歸還給APL。

除了去抓彩色布球之外，赫梅萊夫斯基還幫助APL開展了一個通過腦控無人機追蹤敵方戰斗機的項目，這是美國國防部稱之為“眾多自動運載工具推理和控制系統”程序的一部分。研究人員將赫梅萊夫斯基連接到一個視頻游戲，該視頻游戲的圖像特點是在一條開闊的船上有形象各異的粗野男人。利用腦控接口，赫梅萊夫斯基可以評估船上有多少人、多少貨物以及多少武器，他對每張圖像打一個“危險級別分”，計算機記錄下赫梅萊夫斯基做決策時的大腦信號。

軍事研究人員正在利用赫梅萊夫斯基的游戲數據來開發用于無人機的機器學習算法。APL的程序負責人馬特·里奇（Matt Rich）稱，軍方將會利用該程序，允許人類操作員利用腦部信號而非操縱桿來控制無人機。該技術還可用于訓練無人機，使用腦控接口來豐富觀察結果，機器學習算法可以對監視目標做出評估，并據此結果采取行動。

APL正在建立起一個系統，該系統將允許赫梅萊夫斯基利用大腦來控制飛行中的無人機，這很可能意味著需要轉移到別處更大的實驗環境中。測試用無人機可能是百思買或亞馬遜出售的小型四軸飛行器設備。里奇說：“這些無人機可以是虛擬的，也可以是真實的，但我們計劃對兩者都進行實驗。”

大腦控制的無人機實驗仍處于起步階段。盡管如此，一些人權評論家仍然擔心：有一天，武器化無人機裝備擁有完全自主的人工智能，它們可能會做出自己的殺人決定，而不是由人類操作員來指導它們做事。

2016年，美國海軍啟用了一艘重達135噸的“海上獵人”號艦艇，這艘艦艇無需任何船員就可以在海洋上巡邏，DARPA官方將該項目描述為“海軍水面作戰的新視野”，旨在探測和追蹤潛艇。未來，“海上獵人”號可能會直接攻擊潛艇，也許會借助于APL正在研發的那種監視無人機來實施攻擊。美國國防部表示：在2020財年，國防部計劃在無人武器系統上花費37億美元，此外在人工智能系統上要花費近10億美元，以應對國外類似項目的威脅。但是，《大西洋月刊》的最新報道顯示：到目前為止，美國軍方官員尚未將完全控制權賦予機器，他們說還沒有做出堅定的計劃。

赫梅萊夫斯基計劃加入海軍陸戰隊。他說：“為了服務于軍事科學家和地方科學家，我很高興玩頂級槍械這款游戲，但這項實驗真正令人興奮的是在開發一項新技術的同時來體驗這種新技術。”