仿生義肢時代 來了嗎?

仿生義肢時代 來了嗎?

意念移物,跳脫未可知神祕的領域,向來是各國科學家們致力研究的項目之一。針對中風、大腦損傷或脊椎受損致癱瘓的患者,英歐美科學家們不約而同利用可撓曲的軟膠片,加上一種腦內探測器與解碼器,讓癱瘓者可以意念移動身體。透過相應的機構設計,還可以讓傷者再度站起來行走。
仿生輔具(仿生義肢)近年的長足進步,正在一步步走入癱瘓者的日常。

文/陳淑芬
部分圖片提供/工研院

2012年,一位癱瘓的女性在一個科學實驗中, 利用腦波意念讓一台機器人手臂移動──拿取水瓶、協助喝早晨的第一杯咖啡。

當時,這位名叫凱西(Cathy Hutchinson)的女性,已經15 年無法移動自己的手與腿。植入她腦中的感測器可以閱讀她的想法,並且還有一顆解碼器將她的想法轉譯給機器手臂,以做出她想要的動作。

 

【電流】替代脊髓神經的軟膠片

2015 年,一位法國認知科學家、教授拉屈博士(Stephanie Lacours)與她的團隊設計出一種可伸縮、可撓曲的軟膠片,上面嵌上許多一般在半導體或電腦主機板上,才會看見的電子部件圖,可植入體內,產生電子訊號,替代原有的脊髓硬膜功能。

從1 月份所釋出的影片中,該團隊將之移植到脊髓內,可替代原有受損神經(脊髓連接身體的神經)的功能,讓受測的癱瘓老鼠站立行走。雖然有人唱衰50 年後才能真正應用於臨床上,同時也有人要捐款支持持續研究,也有下肢癱瘓者表示,自願參與人體實驗。

拉屈博士解釋道,團隊稱此軟膠片為「Edura」(electranic dura matter, 電子硬腦膜)。人體中的硬腦膜(又稱硬膜)極厚,共有三層;軟膠片可移植於硬膜最外層,由於膠片柔軟可伸縮,可藉由摩擦產生訊號,模擬硬膜原有的功能。

該團隊就是洛桑聯邦理工學院旗下的神經義肢科技團隊(EPFL Bertarelli Chairin Neuroprosthetic Technology), 結合來自洛桑與哈佛的學生與傑出學者,主要研究神經科學,創造出如皮膚般的人工植入新材料與科技,解決人造物與生物組織之間的機械不匹配問題。

其研究結合各領域專業,如材料科學、工程、生物科技與神經工程學等。

法國洛桑學院的科學家們發明「Edura電子硬腦」可移植至生物體脊髓細胞最外層的硬膜,替代其功能,使癱瘓的生物再度站起來走路。圖/影片截圖

法國洛桑學院的科學家們發明「Edura電子硬腦」可移植至生物體脊髓細胞最外層的硬膜,替代其功能,使癱瘓的生物再度站起來走路。圖/影片截圖

【自由】讓癱瘓者彈吉他

2016 年4 月中,24 歲的伊恩(Ian Burkhart,頸部以下癱瘓)在一群科學家的注目中,手持遊戲電吉他玩將起來。

這是他自19 歲受傷以來,首度可以移動自己的手臂。拜晶片與神經解碼器之賜,讓他可以「以意念移動肌肉」── 繞過受傷的脊髓,直接由腦部意念命令肌肉移動──這是科學界首見的大突破。在完全癱瘓的案例中,這是第一起「運用意念令肢體動起來」的成功案例。

5 年前伊恩於家族旅行中,因潛水意外摔斷C4 頸骨,導致神經元受損,醫生宣判,此後他的頭部以下終生癱瘓,僅可略為轉動肩部。

根據研究報告, 這群來自MIT 等聯合科學家團隊科學家,將一顆晶片植入他腦中主掌運動的部位。由96 條「類燈絲微電極」組成,用來記錄各別神經元發射的訊號,透過緊黏手臂的「神經輔助裝置」(Neuroprosthetic devices) 解碼不同動作的神經發射模式,經由裝置將解碼後的動作指令直接傳給肌肉,藉由膠片控制,完成連續性手部動作。

該裝置運用的技術叫做「神經旁路」(Neural bypass), 讓大腦手部運動皮質區發送的訊息,可繞過受損神經系統,直接刺激肌肉,讓手動起來,以達成復甦癱瘓的效果。類似裝置曾成功解碼和情感相關的神經訊號,並且讓靈長類動物和人類可透過意念控制電腦和機器手臂。

伊恩經過了長達2 年的訓練,才能彈吉他。2 年前晶片初植入伊恩大腦後,他與機器曾面臨許多挑戰。例如,儘管想著同樣的動作,神經發出的訊號卻每次都不同,為了成功解讀神經訊號代表的動作,該裝置具備機器學習(machine-learning)的演算法,以適應神經訊號的改變。

機器與伊恩都需不斷學習,團隊科學家也藉由連接伊恩大腦的機器,學習大腦與神經訊息,以及手部運動之間的關係。

為了完成以往根本不需思考的動作,伊恩必須全程非常專心,「不過,不斷地嘗試後, 變得越來越簡單, 就像運動一樣。」曾是校隊的伊恩說。

除了彈吉他,伊恩可以做較複雜的動作,如扭轉瓶子倒出瓶內物品;也可以做細緻的動作,如拿攪拌棒並攪動。

這項剛發表於《Nature》期刊的結果,相信振奮不少癱瘓人士與家屬,但距離面市,尚沒有時間表,因為該裝置目前還僅能於實驗室中操作。

參與這項實驗的醫生們希望這套系統能更加實用、可負擔、降低侵入性,未來希望藉由無線網路技術來實現。

因頸椎C4受傷,大腦信號傳遞完全堵住。 仿生科技讓24歲Ian。圖/影片截圖

因頸椎C4受傷,大腦信號傳遞完全堵住。仿生科技讓24歲Ian。圖/影片截圖

【自由】讓癱瘓者站立、走路

2012 年, 一位穿戴reWalk 品牌外骨骼輔具的脊損女士,跑完全程馬拉松比賽,引得全場為她大力鼓掌。可喜的是,該公司的外骨骼輔具不但可以上樓梯(是類似輔具的大突破),並已獲得美國FDA 通過。

目前,能夠讓脊損下肢癱瘓者經過多年的輪椅生涯後,再度站起來走路,靠得是外骨骼輔具機器人(robotic exoskeleton),讓無法站立、行走的人,再度邁開步伐,重拾自由行動人生。

Ekso Bionics 品牌的外骨骼輔具,利用類似賽格威的感測科技,穿上之後,患者可以藉由「身體的傾斜」,讓馬達帶動腿部的輔具,使之前進。

不過,每一支外骨骼輔具皆必須量身訂做,每副折台幣高達數十萬元。

穿上外骨骼輔具,長期坐輪椅的下肢癱瘓者,重拾獨立行動的自由。

穿上外骨骼輔具,長期坐輪椅的下肢癱瘓者,重拾獨立行動的自由。

【健康】行動輔具機器人

台灣工研院受政府之託,進行「行動輔具機器人」的研發,目的之一在降低價格。工研院機械所將自己的強項──自行開發的專利晶片、超薄膠片與馬達,運用於輔具之上。

邀請鋼鐵人醫生許彥超擔任受試者並提供回饋;並與政府管轄的桃園醫院合作,以獲得寶貴的臨床數據,迄今已為數十位脊損癱瘓者量身訂製輔具。工研院表示,目前已有受測者可以穿著此
輔具跑步。

目前進化的第二代較前代輕7 公斤(目前為廿公斤,國外品牌最輕可達12 公斤),據工研院表示,與國外近似產品最大不同在於,利用可隔著衣服感測的超薄膠片,感測肌肉細微動作與電流狀態,將之傳送至位於腰部的控制器(同時也記錄與分析行進的進度)。

使用者按壓右手輔具(拐杖)的開關,帶動位於腰部、膝蓋的4 顆馬達做出動作;雖是一個指令一個動作,輔具自動感測肌肉細微的動作,讓這副「行動輔具機器人」做出站立、行走或坐下等動作,並同步播放語音。

根據回饋,以往的輔具吃力度為8 分(10 分為最吃力),病人的身體要「用甩」的才能前進;工研院輔具吃力度降為3 分。

肌肉感測膠片也運用於高敏銳觸覺感知穿戴式輔具,將工研院的觸覺辨識──感測手部震顫、肌肉姿勢的改變與神經傳達等技術,結合早稻田大學醫學系的上肢震顫抑制機構設計──藉由施壓與微量電流,為好發於高齡者的本態性震顫患者或帕金森氏症患者,穩定手抖的困擾,可以恢復拿杯喝水、吃飯、寫字等日常基本動作。

兩者目前雖已走出實驗室,尚屬臨床試驗階段,尚未技轉上市,國內需求者還須等一等。

下肢癱瘓者站起來,降低骨質疏鬆、腎結石風險。工研院的「高敏銳觸覺感知穿戴式輔具」可抑制手抖,回復正 常生活。

下肢癱瘓者站起來,降低骨質疏鬆、腎結石風險。工研院的「高敏銳觸覺感知穿戴式輔具」可抑制手抖,回復正
常生活。

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