人類與機(jī)器融合

重 要 看 點(diǎn)

瑞典科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一款先進(jìn)的仿生手，可以通過(guò)鈦合金與截肢患者的骨骼相連，接收患者大腦傳出的指令，還能向大腦發(fā)送信號(hào)。

科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了人工耳蝸、人造視網(wǎng)膜，還開(kāi)發(fā)出了人造心臟。通過(guò)與機(jī)器融合，身體功能受損的患者的生活質(zhì)量將得到明顯改善。

大腦具有可塑性。在2021年的一項(xiàng)研究中，志愿者經(jīng)過(guò)幾天的學(xué)習(xí)后，很快掌握了如何使用一根額外的機(jī)械拇指。

瑞典女性卡琳在一次農(nóng)耕事故中失去了右手和部分右側(cè)小臂，導(dǎo)致她的生活發(fā)生了巨大改變。但在尖端技術(shù)的幫助下，她擁有了一只幾乎和以前一樣靈巧的機(jī)械手臂。

51歲的卡琳如今已經(jīng)成了一名“賽博格”（cyborg）：人類與電子機(jī)械的融合體。作為一個(gè)“半機(jī)械人”，她的機(jī)械手臂牢牢地固定在右側(cè)手臂的骨骼上，并與肌肉和神經(jīng)相連。

機(jī)械手臂非常先進(jìn)，卡琳能利用它做出各種各樣的動(dòng)作，甚至恢復(fù)了右手的部分觸覺(jué)。

卡琳是世界上第一個(gè)受益于這一革命性技術(shù)的人。目前，將人與電子設(shè)備連接起來(lái)的技術(shù)正在飛速發(fā)展。除了截肢患者，癱瘓患者也將受益：通過(guò)被植入大腦的電子設(shè)備，癱瘓患者可以重新站起來(lái)。

雖然科學(xué)家目前主要致力幫助癱瘓患者和截肢患者提升生活質(zhì)量，但在未來(lái)，這種技術(shù)很可能改變所有人的生活。

我們的大腦潛力非凡。研究表明，人類大腦可以很快學(xué)會(huì)控制各種人造的身體部位?！百惒└駮r(shí)代”也許并不遙遠(yuǎn)。

將義肢連接在骨骼上

理想的義肢應(yīng)該像真正的肢體一樣強(qiáng)壯、靈活。更重要的是，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，作為身體某一部位的代替品，義肢必須易于操控，否則再好的義肢也無(wú)濟(jì)于事。目前，在改善義肢的操控性方面，科學(xué)家已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。

傳統(tǒng)義肢通常直接被安裝在殘肢上，非常笨重。人們?cè)谑褂脮r(shí)，常常因?yàn)榱x肢與殘肢相互摩擦而產(chǎn)生痛感。這些義肢的功能也很有限，使用者只能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)非常簡(jiǎn)單的動(dòng)作。

與傳統(tǒng)義肢不同，電子仿生手可以通過(guò)接收殘肢的肌肉發(fā)出的肌電信號(hào)來(lái)工作。

事實(shí)上，人體是通過(guò)收縮肌肉帶動(dòng)骨骼來(lái)完成各種動(dòng)作的，這個(gè)過(guò)程受神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控。肌細(xì)胞在被神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的電信號(hào)激活后，就會(huì)產(chǎn)生肌電信號(hào)。

卡琳的機(jī)械手臂就是這樣一款能夠接收肌電信號(hào)的電子仿生手。

但是，要穩(wěn)定地采集肌電信號(hào)并不容易——肌肉產(chǎn)生的電信號(hào)極其微弱，如果科學(xué)家僅僅把電極貼在皮膚上，采集過(guò)程很容易受到其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁信號(hào)的干擾。

因此，卡琳的機(jī)械手臂是直接與骨骼、肌肉相連的。除了可以更好地采集肌電信號(hào)，這樣的機(jī)械手臂還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)義肢很少能讓人感覺(jué)像是身體的一部分，但卡琳感覺(jué)到，這只機(jī)械手臂幾乎已經(jīng)成為她身體的一部分。

瑞典仿生學(xué)和疼痛研究中心的科學(xué)家馬克斯·奧爾蒂斯·卡塔蘭（Max Ortiz Catalan）及其同事開(kāi)發(fā)了這款機(jī)械手臂。他們通過(guò)手術(shù)，在卡琳小臂的骨骼中植入了鈦合金基座，延長(zhǎng)了被截?cái)嗟臉锕呛统吖牵C(jī)械手臂安裝在了鈦合金基座上，從而將機(jī)械手臂與卡琳的骨骼連在了一起。

在這一突破性的手術(shù)中，科學(xué)家還重新布置了卡琳殘肢內(nèi)的神經(jīng)束（聚集在一起的神經(jīng)纖維）和肌肉組織，以便穩(wěn)定地采集與右小臂和右手肌肉組織有關(guān)的肌電信號(hào)。

具體來(lái)說(shuō)，醫(yī)生為卡琳的殘肢移植了新的肌肉組織，以代替卡琳失去的右小臂和右手的部分肌肉組織，并將多條控制右小臂和右手動(dòng)作的神經(jīng)束轉(zhuǎn)移到了這部分移植的肌肉組織中。同時(shí)，醫(yī)生向移植的肌肉組織植入了電極，用以采集肌電信號(hào)。

什么是賽博格

“賽博格”一詞源自英文“cyborg”，“cyborg”是“cybernetic organism”（譯為控制論有機(jī)體）的縮寫(xiě)。

1960年，美國(guó)科學(xué)家曼弗雷德·克萊因斯（Manfred Clynes）和內(nèi)森·克蘭（Nathan Kline）在論文《賽博格與空間》（Cyborgs and Space）中首次提出了“賽博格”的概念。他們最初的設(shè)想是通過(guò)機(jī)械裝置或技術(shù)來(lái)增強(qiáng)人類的身體機(jī)能，從而使人類能夠適應(yīng)太空中的極端環(huán)境。如今，技術(shù)的發(fā)展正在推動(dòng)人類與機(jī)器的融合，越來(lái)越多的人也正在因此受益。

讓仿生手成為身體的一部分

通過(guò)手術(shù)，科學(xué)家將仿生手與截肢患者的骨骼、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)連接起來(lái)。仿生手牢牢地固定在骨骼上，還能與大腦進(jìn)行雙向通信，就像一只真正的手。

用仿生手拿起一枚雞蛋

通過(guò)創(chuàng)造性解決方案，電子仿生手實(shí)現(xiàn)了大腦與仿生手之間的雙向通信。

具體來(lái)說(shuō)，大腦可以通過(guò)神經(jīng)束向肌肉傳達(dá)運(yùn)動(dòng)指令，而仿生手從肌肉組織采集到肌電信號(hào)后，就可以做出相應(yīng)的動(dòng)作。反過(guò)來(lái)，當(dāng)仿生手接觸到物體時(shí)，大腦也會(huì)收到反饋。

有了這些反饋信息，仿生手的動(dòng)作幅度、力量都能得到更加精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控。這個(gè)過(guò)程甚至不需要使用者進(jìn)行有意識(shí)的思考——他們?cè)诓倏胤律謺r(shí)，就像使用自己的手那樣自然。

卡琳已經(jīng)使用電子仿生手4年了。在那次意外發(fā)生后，得益于仿生手的幫助，她的生活并沒(méi)有受到明顯影響。

現(xiàn)在，卡琳可以自如地操控仿生手，因?yàn)榉律值目刂菩盘?hào)就源自她的大腦。此外，通過(guò)一種直接包裹著神經(jīng)纖維的電極——袖套電極，她的大腦能夠接收到仿生手產(chǎn)生的反饋信號(hào)，因此她可以感覺(jué)到自己按壓物體的力度。

此外，由于電子仿生手與卡琳的神經(jīng)系統(tǒng)直接相連，她終于不必忍受幻肢痛的折磨——雖然患者已經(jīng)失去了肢體，但他們?nèi)阅芨惺艿絹?lái)自失去部位的疼痛。很多截肢患者都經(jīng)歷過(guò)這種痛苦，這種疼痛主要源于神經(jīng)系統(tǒng)的失調(diào)。現(xiàn)在，卡琳能拉拉鏈、做飯，

還能拿起易碎的雞蛋或柔軟多汁的漿果。也就是說(shuō)，她基本上能夠應(yīng)對(duì)日常生活中的大多數(shù)工作。

卡琳的電子仿生手是迄今為止最精密、最先進(jìn)的仿生手之一，但科學(xué)家仍在改進(jìn)，希望能賦予仿生手感覺(jué)功能。

人造觸覺(jué)

觸摸物體時(shí)，我們不僅能感受到皮膚接觸物體時(shí)產(chǎn)生的壓力，還能感受到物體表面的質(zhì)地和溫度，這就是觸覺(jué)。現(xiàn)在，義肢也能收集這些信息，并向大腦傳遞信號(hào)。

科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種名為MiniTouch的設(shè)備。在2024年的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家將它集成在了一名男性的小臂義肢中。研究證明，截肢患者能夠通過(guò)義肢中的MiniTouch設(shè)備感知裝有冷水和熱水的容器溫度上的差異，甚至能通過(guò)它感受他人的體溫。

科學(xué)家還開(kāi)發(fā)出了能夠識(shí)別紡織品材質(zhì)的人造皮膚，其中集成了能夠檢測(cè)壓力和振動(dòng)頻率的傳感器。當(dāng)裝有這種人造皮膚的義肢指尖觸碰到各種紡織品時(shí)，人工智能算法會(huì)對(duì)人造皮膚采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而靈敏地分辨出尼龍、亞麻和滌綸材質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)有望給截肢患者帶來(lái)更加真實(shí)的觸覺(jué)體驗(yàn)。

人與機(jī)器的融合不僅可用于再造失去的肢體，科學(xué)家還在研究能讓腿部癱瘓或肌肉萎縮的人重新行走的設(shè)備。

2019年，一名高位截癱的28歲法國(guó)男子在機(jī)械外骨骼的幫助下，實(shí)現(xiàn)了短暫的行走。

科學(xué)家在這名患者大腦的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層附近植入了兩枚芯片，采集與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦電信號(hào)，計(jì)算機(jī)則會(huì)將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為操控外骨骼的指令，從而驅(qū)動(dòng)外骨骼帶動(dòng)人體行走。

對(duì)于有些腿部失去運(yùn)動(dòng)能力的癱瘓患者來(lái)說(shuō)，他們可以選擇另一種解決方案。如果癱瘓是由大腦和腿部之間的神經(jīng)纖維斷裂引起的，如今醫(yī)生可以重建神經(jīng)連接，進(jìn)而幫助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力。

2023年，科學(xué)家在一名脊髓神經(jīng)受損的荷蘭男性患者的大腦和腰骶部脊髓分別植入了電極，并在兩個(gè)電極之間建立了無(wú)線連接，從而恢復(fù)了脊髓神經(jīng)與大腦之間的通信。

之后，這名患者可以自己站立、行走，甚至能在有人攙扶時(shí)上樓梯。植入患者體內(nèi)的兩個(gè)電極具有不同的功能。大腦中的電極會(huì)采集大腦神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的電信號(hào)，將其傳輸給配套頭盔。頭盔將對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析，然后向腰骶部脊髓的電極發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。脊髓中的電極在接收到指令后，能夠控制腿部肌肉，完成動(dòng)作。

這種在大腦和外部設(shè)備之間建立連接的技術(shù)被稱為“腦機(jī)接口技術(shù)”，可能幫助數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的截肢患者或癱瘓患者。

對(duì)于英國(guó)女性薩拉·德·拉加德（Sarah de Lagarde）來(lái)說(shuō)，新技術(shù)不僅幫助她恢復(fù)了手部功能，還讓她獲得了可以旋轉(zhuǎn)360°的“超級(jí)手腕”。

拉加德在2022年不慎跌入火車與站臺(tái)之間的縫隙，遭火車碾壓，因此失去了一只胳膊和一條腿?，F(xiàn)在，她有了一只構(gòu)造精密的仿生手。通過(guò)計(jì)算機(jī)和殘肢內(nèi)的電極，她可以用意念控制仿生手。與這只仿生手相連的是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)360°的人造手腕，而普通人的手腕的活動(dòng)范圍是有限的。

拉加德說(shuō)，自己80%是人，20%是機(jī)器人，而且希望科技能賦予她更多的“超能力”。

未來(lái)，這是有可能的。

額外的機(jī)械拇指

我們通過(guò)感官來(lái)接受外界的各種刺激，而各種感官體驗(yàn)形成于大腦。我們的大腦具有可塑性，除了我們的耳朵、眼睛等感官向大腦輸入的信號(hào)，大腦還能適應(yīng)傳感器傳來(lái)的信號(hào)。這意味著人類可以擁有全新的感官功能，比如檢測(cè)有毒的化學(xué)物質(zhì)、接收紅外線，或者擁有像紅外線成像儀一樣的熱輻射成像能力。

我們還可以學(xué)習(xí)使用新的身體部位。在2021年的一項(xiàng)研究中，20名志愿者學(xué)習(xí)了如何使用一根額外的機(jī)械拇指。這根額外的手指被固定在志愿者的手部，志愿者可以通過(guò)腳底的壓力傳感器來(lái)操控它。

志愿者很快就學(xué)會(huì)了如何在日常生活中使用這根機(jī)械手指。對(duì)大腦的功能性磁共振成像 （fMRI）掃描結(jié)果顯示，在使用機(jī)械手指一段時(shí)間后，志愿者的大腦發(fā)生了相應(yīng)的改變。

科學(xué)家還在研究可以被植入大腦皮層并讀取大腦信號(hào)的計(jì)算機(jī)芯片?？茖W(xué)家的初衷是幫助全身癱瘓的患者恢復(fù)與外界交流的能力，但從理論上來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)還可以用于許多其他場(chǎng)景。

如今，腦機(jī)接口設(shè)備采集腦電信號(hào)的能力變得越來(lái)越強(qiáng)，人工智能系統(tǒng)也正在變得更善于解讀這些信號(hào)，這使得這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)?yè)碛袩o(wú)限可能。

未來(lái)，大腦或許能夠直接連接互聯(lián)網(wǎng)，我們可能不需要?jiǎng)右桓种妇湍芨鼡Q電視頻道或打開(kāi)咖啡機(jī)，還可能在沒(méi)有手機(jī)或鍵盤(pán)的情況下在網(wǎng)上搜索信息。精密的芯片也許還能直接成為大腦中的一個(gè)新的高級(jí)神經(jīng)中樞，這樣我們就能擁有更強(qiáng)的記憶力和計(jì)算能力。

我們的身體功能也可能發(fā)生一些改變，但不是通過(guò)緩慢的演化，而是在新技術(shù)的幫助下更快地得到增強(qiáng)，科技將徹底改變“人類”一詞的定義。

不過(guò)，如果人類真的進(jìn)入那個(gè)階段，如何界定人類與機(jī)器的界限將成為一個(gè)問(wèn)題。

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新技術(shù)和新設(shè)備可以使人體受損的功能得到恢復(fù)，甚至能夠直接替代人體的某些部位。全世界已有數(shù)百萬(wàn)人因義肢和植入物受益。