让残肢消失

2006年，英国一个叫埃文·雷诺兹（Evan Reynolds）的小伙子在车祸中失去了左臂，也打碎了他加入国家橄榄球队的梦想。两年后，他装上了一支叫做i-Limb的假肢，这让他能够做一些正常人能做的事。“人们总是问我i-Limb怎么改变了我的生活，”埃文说，“但是实际上没什么了不起的事——都是些生活中的小事，像是削土豆皮、握住网球、握住一瓶水什么的。”

然而，就是这样的小事，在肢体残疾人与正常人之间垒起了一道巨大壁垒。苏格兰的Touch Bionics公司尝试让肢残人能够像正常人一样生活，所以他们开发了i-Limb。这种仿生手获得了许多奖项的肯定，包括2008年英国皇家工程院的MacRobert金奖——这个奖项总是颁给最具有创新性的工程成果。《时代》杂志也认为这是2008年最好的50项发明之一，《华尔街日报》则将i-Limb评为2009年技术创新奖第二名。毫无疑问，这是目前世界上最好的仿生手之一。

在Touch Bionics公司的仿生皮肤包裹下，埃文的假肢看起来和真正的手臂很像。他可以让5个手指单独活动，拿起一张光盘、捏住一枚钥匙，或者握住一颗鸡蛋。i-Limb活动起来也和真手一样，它会判断使用者的意图，不会毫无反应，也不会用力过度。

人的一只手有27块骨头，上面附着有59块大大小小的肌肉。在过去，手部假肢的发展一直较为缓慢，其中部分原因是手臂截肢病例并不如下肢那么多，因此市场容量有限；另一个原因是手臂的体积比腿要小得多，但是其运动范围和精细程度却远远超过腿部。这两个原因让生产充分模拟真实手部的假肢的难度要大得多。

i-Limb采用了一种特殊的思路来解决技术问题。实际上，i-Limb可以看成一组由计算机控制的马达。Touch Bionics公司在病患的残肢上贴上两片接收电极，以此接收残肢肌肉产生的电信号，对之加以处理分析，再将指令下达给每个手指假肢上的电动马达。通过马达的运转拉动手指，手部残疾的病患就可以如同之前使用自己的真手一样，随意控制假肢。能够让5个假肢手指分别独立运动，是i-Limb与其他假肢最大的不同之处。

这种用肌电信号控制义肢的思路，是慕尼黑大学的莱因菲尔德·瑞特（Reinhold Reiter）在1945年提出的，之后很长时间都没有进展——只有当硬件足够小型化的时候，这种设想才可能成为现实。

i-Limb的技术基础在于，我们每次肌肉收缩的时候都会产生电流。这些电流会在体内传递，只要在皮肤表面覆盖电极，就可以接收到电信号。不过，这些电信号的电压很低，往往只有数十微伏，人完全无法感觉到，只能通过非常灵敏的电极才能采集到。而手部动作往往也需要手臂肌肉收缩来协力完成，所以可以通过监控手臂肌肉的电信号来判断使用者的意图。i-Limb使用两个放置在不同位置的电极来采集肌电信号，将这两个输入信号“相减”，就可以排除掉那些并非手臂肌肉收缩而产生的信号。然后，义肢中的处理器对手臂肌电信号进行降噪处理和放大，并判断电信号是否够强，以此为依据来判定是否真的要收缩肌肉。当确定以后，义肢以相应的电信号以驱动电动机，拉动手指握紧。

在这个过程中，对电信号的分析处理就显得相当重要。i-Limb的控制系统相当于一台电脑，实时监控肌肉电信号的强度，以此来判断用户是想在什么时候握紧或者放松。在对于信号的分析中，时频分析、小波分析、神经网络乃至模糊分类方法等理论和算法都被用在假肢的控制上。一只假手的复杂度，堪比一部家务机器人。

除此之外，i-Limb还具备“停止”功能。内置的感应器将会实时评估施加的力量是否足够——这很重要，因为可以预防一些用力过度的情况。捏住一个气球和捏住一个鸡蛋所用的力量并不相同，而i-Limb能够分辨这两者之间的区别。“我现在可以握住一个一次性塑料杯子，而不会捏碎它。”美国前陆军中士胡安·阿雷东多说。他在伊拉克服役的时候，因为一次爆炸而失去了左臂手肘以下的所有肢体，而“在用其他假肢的时候，我总是得很注意，否则一不小心就会用力过度”。

然而，现在肌电信号控制的假肢，也还是只有95%的成功率：每20次操作中，就有可能出现一次判断失误。即使如此，其他的突出优势也足以让i-Limb成为非常受手部残障者欢迎的产品。虽然它现在的售价高达14000美元，但随着技术进步，其成本还有不错的降价空间。而其他的一些企业和研究机构也开始进行类似的研究，力图制造出更像真实肢体的假肢，让“肢体残障”这个词成为彻底的历史名词。

美国国防部高级研究计划署（DARPA,Defense Advanced Research Proiects Agency）在仿生假肢的研究上投入了数千万美元，试图开发出更灵敏的假肢：可能具有触觉，甚至可以直接通过思维来控制。两轮自动车segway的发明者开发出了像《星球大战》中天行者卢克那样的假肢，可以完成极其细微的活动；美国航空航天局（NASA,National Aeronautics and Space Administration）和其他一些机构已经开发出了更仿真的皮肤，内置触觉传感器；而早在2004年，马萨诸塞州的一家公司就已经在一位四肢瘫痪者脑中置入了一块芯片，让他可以仅通过思考来控制一支机械手臂。

虽然并没有投入商用，但是这些研究让我们看到了希望。现在中国有超过两千万的肢体残障者，还不能过上正常人那看似理所当然的生活。随着微电子技术和生物技术的发展，也许他们终会安装上与真正肢体没有区别的假肢，轻松跨越那道横亘在肢残人和正常人之间、绵延了数千年的鸿沟。