运用交际账号登陆

当时方位: 主页 > 前沿 > 生物 • 医学

揭秘本届世界杯首球:“机械战甲”的研制之路

时刻: 2014年06月12日 | 作者: | 来历: 举世(www.22vfpn.com)
2014年巴西世界杯的开幕式,是研讨“外骨骼”技能的一个绝佳试验场所,残疾少年将身披接驳进大脑的机械外甲,开出世界杯的榜首脚球。

 

《举世》(《美国人》中文版)连线“绿荫场钢铁侠”的缔造者、杜克大学医学院神经教授米格尔·尼科莱利斯教授(Miguel Nicolelis),为你叙述“脑机接口机械战甲”的研制之路。

 

撰文 米格尔·尼科莱利斯(神经假肢范畴前驱,杜克大学医学院神经教授,“再次行走”方案担任人)

翻译 栾兴华(北京大学医学部神经病学博士,上海瑞金医院神经内科医师)

 

2014年巴西世界杯的首场竞赛,招引全世界数十亿观众目光的,肯定不只是巴西队的进球和罚下对手的红牌。这一天,我地点的美国杜克大学的试验室——专门研制用脑电波操控机械假肢的技能,将与欧洲和巴西的同路一起,为脑-机接口技能、瘫痪医治史,树立一座新的里程碑。

 

巴西世界杯开球少年的双腿上,将包裹一套咱们称之为“外骨骼”(exoskeleton)的机甲配备。在足球场上,由瘫痪少年的大脑宣布的举动信号,经无线传输到背包内一台笔记本巨细的核算机设备中,然后让瘫痪少年迈出具有历史含义的一步。这台核算机将把大脑电信号转换成数字化的举动指令,让外骨骼首要稳住球员身体,然后诱导机械腿在平坦的草坪上和谐地做着前后运动。当球员发现脚和足球挨近时,梦想着用脚去踢它,300毫秒之后,脑信号就会指令外骨骼上的机械脚以巴西式的踢法,将球勾起,向上抛出。

 

这一革命性技能的展现,将给全球数十亿观众传递一个消息:大脑操控机器已不只仅是试验室的演示和技能梦想,因外伤或疾患致残的残疾人,很可能再次取得举动才干。

 

未来十年,咱们或许会研宣布一种技能,将机械、电子或虚拟机器与大脑相连。这项可以康复举动力的技能,不只给交通事故和战役受害者带来期望,也会使渐冻症(肌萎性脊髓侧索硬化症)、帕金森病和其他运动妨碍患者获益,例如在伸肘、握拳、举动或言语上有妨碍的患者。

 

除了协助残障人士,家还能用神经假肢设备(Neuroprosthetic device,也称脑-机交互设备)做更多的事,比方通过增强正常人的感知和运动才干,以一种革命性的办法去探究世界。人们或许可以用脑电波操控大巨细小的机械设备,远距离遥控飞艇,乃至与别人共享思维和感觉,构成以大脑为根本单元的网络系统。

 

会考虑的机器

慕尼黑工业大学的戈登·陈(Gordon Cheng)致力于简便机甲套装的规划,他也是“从头行走项目”(Walk Again Project)的建议者之一。该项目是由杜克大学神经工程中心、慕尼黑工业大学、瑞士联邦理工学院以及巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉世界纳塔尔神经研讨所(Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal)等世界顶级科研组织一起建议的非营利世界合作项目。

 

“从头行走项目”的根底,可以追溯到20世纪60年代,家在那时榜首次测验探究动物大脑:假设能将神经信号输送至核算机,核算机能否发号指令,发动机械设备?

 

1990年至2010年间,我和杜克大学的搭档一起创建了一种办法,将数百个发丝般细柔的传感器,即微细线(microwire),植入大鼠和山公的大脑。曩昔20年中,咱们现已证明,活络的微细线可以勘探到额叶和颞叶皮层中,成百上千个神经元宣布的弱小电信号(即动作电位),而额叶和颞叶皮层正是自主运动的首要操控脑区。

 

曩昔10年,研讨人员一直在动物试验中,通过上述脑—机接口,使用大脑信号驱动机械臂、手和腿。2011年,咱们试验室取得突破性发展:两只山公学会了使用神经信号,操控电脑中的虚拟手臂去抓取虚拟物体,而更让咱们感到惊喜的是,每只山公的大脑都接纳到了虚拟手臂在抓取虚拟物体时发作的触觉信号。使用核算机软件,咱们可以练习动物,让它感觉它用虚拟手指触摸的物体是什么姿态。

 

现在,许多神经家、机器人学者、核算机专家、神经外科和康复科医师参加的“从头行走项目”,现已开端选用咱们的研讨效果,用以树立一种全新的练习和康复手法,教会严峻瘫痪患者怎么运用脑—机交互设备,从头取得全身运动的才干。

 

事实上,在开球“钢铁侠”走上2014年世界杯开幕式之前,家首要得在一间先进的虚拟—实际房间内进行试验,即所谓的窟窿状主动虚拟环境(Cave Automatic Virtual Environment),这个房间内,四周墙面、地板和房顶都会装上显现屏。参加这项研讨的受试者会戴上3D眼镜和头罩,这种头罩可以通过脑电图和脑磁图,以无创的办法检测受试者的脑电波(由所以测验榜首代技能,受试者为体重较轻的青少年)。戴上之后,受试者就会进入一个朝着四周延伸的虚拟环境,学会怎么通过认识来操控虚拟身体。虚拟身体的动作会逐步变得杂乱,终究可以完结一些精密的动作,比方高低的路面上行走,或许翻开一罐虚拟果冻。

 

勘探神经元信号

操作外骨骼,就不像操控虚拟身体那么简单,因而触及的技能和相关练习会杂乱一些。一个必需的过程是,要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中,才干操控机械假肢。并且在放置电极时,不只要把电极植入颅骨下的脑安排内,并且还要能一起勘探大脑皮层上的更多神经元。

 

运动皮层(坐落额叶)是大脑内担任发作运动指令的区域,它宣布的指令通常会传递到脊髓,操控和和谐肌肉活动,因而许多电极都会植入运动皮层(一些神经家以为,通过脑电图等无创手法来记载大脑活动,可以反映出认识和肌肉之间的对应联系,但现在这个主意还没有完成)。

 

咱们小组的成员之一、杜克大学的加里·里修(Gary Lehew)规划了一种新的传感器:记载魔方(recording cube)。咱们将它植入大脑后,便可勘探大脑皮层中各个方向上的神经信号。记载魔方不像从前微电极阵列,只要电极的顶级能记载神经元信号,它可以沿着中轴,扩展出微细线,感知上、下及周边的神经信号。

 

咱们现在的记载魔方现已包括了逾越1 000个有用的记载微细线。依照一个微细线至少记载4~6个神经元的信号来核算,每个魔方可以捕捉4 000~6 000个神经元的电活动。假设咱们在担任高档运动和决议计划的额叶和顶叶皮质区,植入多个魔方,那么咱们就可以一起取得上万个神经元的信号。依据咱们的理论模型,这些应该满足操控外骨骼,赋予双腿活动才干,让瘫痪患者康复自主运动。

 

要处理来自传感器的海量数据,咱们还要为瘫痪患者专门研制新一代神经芯片。这些芯片与微电极一起植入患者大脑后,它们就可以提取出操控全身外骨骼所需求的初始运动指令。

 

当然,检测到大脑信号后,还需求传递给假肢。杜克大学的蒂姆·汉森(Tim Hanson)博士构建了一个具有128个频段的无线记载仪,配备有可植入颅骨内的传感器和芯片,这些芯片可以把记载到的脑电波传送到长途接纳器上。

 

将来,记载到的数据会通过无线设备,传输到瘫痪患者背包内的小型核算处理单元中,多个数字处理器将运转各式软件,把运动信号翻译成数字指令,用以操控机械外套上的各个活动部位(即致动器)——关节,以及调整机械假肢方位的各种硬件设备。

 

来自大脑的指令

在数字指令的驱动下,穿戴外骨骼的患者会逐步迈开脚步,调理本身跋涉的速度,乃至可以屈膝、折腰、爬楼梯。外骨骼的机电回路(electromechanical circuit)可以直接调整假肢的方位,不需求神经信号的参加。

 

这种相似太空服的机械外套,不只穿起来舒适灵敏,还能支撑起穿戴者的身体,起到代替脊髓的效果。通过充分使用源于大脑信号的操控指令与致动器的电子反应间的相互效果,脑-机交互设备能让瘫痪患者在世界杯上,凭着自己的意志在球场上奔驰。

 

 

抱负的机械外套不只能赋予瘫痪患者活动的才干,还能感知脚下的地上。在外套上融入既可以检测特定动作的力度,又能将来自外套的信号反应给大脑的微型传感器,家就能让机械外套“仿制”出触觉和平衡感。这样一来,瘫痪患者就能感觉到脚趾与足球间的触摸了。

 

球员的身体一旦与外骨骼发作效果,大脑便会把这个机械外套当作球员身体的一部分。在练习时,球员通过与地上的接连触摸,感知机械腿的方位,积累了感觉经历,然后可以在球场或人行道上熟练地迈开脚步。

 

当然,在此项研讨应用到人体之前,咱们不断地在动物身上了进行严厉的试验。无论是在巴西、美国仍是欧洲,这项研讨有必要通过监管组织的严厉测验,保证和道德上的合理性。关于巴西界来说,这项效果即使呈现了一些不确定性要素,纵使榜首次揭露露脸的时刻很短,但像这种史上罕见、具有里程碑含义的研讨效果,也足以招引学者们的眼球。