新研究為機械臂加上觸覺

大多數健全人都可以輕而易舉地完成簡單的日常事務——當他們伸手去拿一杯熱咖啡時，他們能夠感受咖啡的重量和溫度，并以此調整握姿，防止液體灑出。當人的手臂和手部的觸覺及運動控制系統完好時，在觸碰或者握住物品的瞬間，他們就能感覺已經接觸到物體，從而能夠自如地開始移動或舉起物體。

但是當一個人操作假肢時，這些工作就變得非常困難，更別說是用大腦去控制了。

日前，一項研究中，一個來自美國匹茲堡大學康復中心神經工程實驗室（University of Pittsburgh Rehab Neural Engineering Labs）的生物工程師小組描述了如何通過增加大腦刺激來喚起觸覺，從而使操作者更方便地操作由大腦控制的機械臂。實驗中，當在視覺基礎上補充人工觸覺后，操作者抓取和移動物體的平均時間從20.9秒減少到10.2秒，減少了一半。

論文的聯合通訊作者，匹茲堡大學物理醫學與康復系（Department of Physical Medicine and Rehabilitation）的副教授 Jennifer Collinger 說：“從某種意義上說，我們預料到這會發生，但是實驗中觀察到的程度是我們沒想到的。肢體和手部的觸覺反饋對我們日常生活中的正常行為至關重要，當這一反饋缺失時，人們的行為能力就會受損。”

研究參與者 Nathan Copeland 是世界上第一個不僅在大腦運動皮層，而且在大腦體感官皮層（大腦中處理身體感官信息的區域）也植入了微型電極陣列的人。這個陣列讓他不僅能通過大腦控制機械臂，還能接收到觸覺反饋，與脊髓功能完好的人身上神經回路的運作方式類似。

Copeland 說：“我已經對刺激產生的感覺以及在沒有刺激的情況下執行操作都非常熟悉了。盡管這種感覺不是‘自然的’，能夠感覺到壓力和輕微的刺痛，但絲毫不會困擾我。我從來不覺得接收刺激信號是我需要去適應的，在執行操作的同時接收到刺激信號，對我而言自然得就像‘花生醬夾果醬三明治’。”

一場車禍中，Copeland 手臂受損，于是他加入了一項用以測試觸覺運動微電機的腦-機接口（brain-computer interface，BCI）的臨床實驗，并植入了美國 Blackrock Microsystems 公司的四塊微電機陣列，通常也稱作 Utah 陣列。

早期的論文中首次描述了使用微小的電脈沖刺激大腦的感覺區域，將如何在一個人的手部激發觸覺，這種方法甚至對由于脊髓損傷導致四肢失去感覺的人也有效。而這項新的研究中，研究人員將用來自腦部的信號控制機械臂的運動與將信號傳回大腦來提供感官反饋結合起來。

在一系列的測試中，腦-機接口操作者被要求從桌子上拿起各種物體并轉移到一個較高的平臺上。實驗證明，加入電刺激產生的觸覺反饋后，參與者完成任務的速度是在沒有電刺激情況下的兩倍。

在新的論文中，研究者希望能在盡可能接近真實世界的環境中測試觸覺反饋的效果。

論文的聯合通訊作者、匹茲堡大學物理醫學與康復系的副教授 Robert Gaunt 說：“我們不希望在任務中去除知覺的視覺成分。即使是恢復有限的、有缺陷的知覺，（殘疾）人的行為能力都有了非常大的提升。為了使觸覺更逼真，并將這項技術應用于人們的生活，我們還有很長的路要走。但是離重建大腦的正常輸入這一目標越近，我們的生活就會越美好。”