揭秘本届世界杯首球：“机械战甲”的研发路

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2014年巴西世界杯的开幕式，是研究“外骨骼”技术的一个绝佳实验场地，残疾少年将身披接驳进大脑的机械外甲，开出世界杯的第一脚球。《环球科学》(《科学美国人》中文版)连线“绿荫场钢铁侠”的缔造者、杜克大学医学院神经科学教授米格尔·尼科莱利斯教授(Miguel Nicolelis)，为你讲述“脑机接口机械战甲”的研发之路。

　　2014年巴西世界杯的首场比赛，吸引全世界数十亿观众目光的，绝对不只是巴西队的进球和罚下对手的红牌。这一天，我所在的美国杜克大学的实验室——专门研制用脑电波控制机械假肢的技术，将与欧洲和巴西的同道一起，为脑-机接口技术、瘫痪治疗史，树立一座新的里程碑。

　　巴西世界杯开球少年的双腿上，将包裹一套我们称之为“外骨骼”(exoskeleton)的机甲装备。在足球场上，由瘫痪少年的大脑发出的行动信号，经无线传输到背包内一台笔记本大小的计算机装置中，进而让瘫痪少年迈出具有历史意义的一步。这台计算机将把大脑电信号转换成数字化的行动指令，让外骨骼首先稳住球员身体，然后诱导机械腿在平整的草坪上协调地做着前后运动。当球员发现脚和足球接近时，想象着用脚去踢它，300毫秒之后，脑信号就会命令外骨骼上的机械脚以巴西式的踢法，将球勾起，向上抛出。

　　这一革命性技术的科学展示，将给全球数十亿观众传递一个讯息：大脑控制机器已不仅仅是实验室的演示和技术幻想，因外伤或疾患致残的残疾人，很可能再次获得行动能力。

　　未来十年，我们也许会研发出一种技术，将机械、电子或虚拟机器与大脑相连。这项能够恢复行动力的技术，不仅给交通事故和战争受害者带来希望，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障碍患者获益，例如在伸肘、握拳、行动或语言上有障碍的病人。

　　除了帮助残障人士，科学家还能用神经假肢装置(Neuroprosthetic device，也称脑－机交互设备)做更多的事，比如通过增强正常人的感知和运动能力，以一种革命性的方式去探索世界。人们或许可以用脑电波控制大大小小的机械装置，远距离遥控飞艇，甚至与他人分享思维和感觉，形成以大脑为基本单元的网络系统。

　　会思考的机器
　　慕尼黑工业大学的戈登·陈(Gordon Cheng)致力于轻便机甲套装的设计，他也是“重新行走项目”(Walk Again Project)的发起者之一。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·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所(Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal)等世界顶级科研机构共同发起的非营利国际合作项目。

　　“重新行走项目”的基础，可以追溯到20世纪60年代，科学家在那时第一次尝试探索动物大脑：如果能将神经信号输送至计算机，计算机能否发号指令，启动机械装置？

　　1990年至2010年间，我和杜克大学的同事共同创建了一种方法，将数百个发丝般细柔的传感器，即微细线(microwire)，植入大鼠和猴子的大脑。过去20年中，我们已经证实，灵敏的微细线可以探测到额叶和颞叶皮层中，成百上千个神经元发出的微弱电信号(即动作电位)，而额叶和颞叶皮层正是自主运动的主要控制脑区。

　　过去10年，研究人员一直在动物实验中，通过上述脑—机接口，利用大脑信号驱动机械臂、手和腿。2011年，我们实验室取得突破性进展：两只猴子学会了利用神经信号，控制电脑中的虚拟手臂去抓取虚拟物体，而更让我们感到惊喜的是，每只猴子的大脑都接收到了虚拟手臂在抓取虚拟物体时产生的触觉信号。利用计算机软件，我们可以训练动物，让它感觉它用虚拟手指触摸的物体是什么样子。

　　现在，众多神经科学家、机器人学者、计算机专家、神经外科和康复科医生参与的“重新行走项目”，已经开始采用我们的研究成果，用以建立一种全新的训练和康复手段，教会严重瘫痪患者如何使用脑—机交互装置，重新获得全身运动的能力。

　　事实上，在开球“钢铁侠”走上2014年世界杯开幕式之前，科学家首先得在一间先进的虚拟—现实房间内进行实验，即所谓的洞穴状自动虚拟环境(Cave Automatic Virtual Environment)，这个房间内，四周墙壁、地板和屋顶都会装上显示屏。参加这项研究的受试者会戴上3D眼镜和头罩，这种头罩可以通过脑电图和脑磁图，以无创的方式检测受试者的脑电波(由于是测试第一代技术，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，学会如何通过意识来操控虚拟身体。虚拟身体的动作会逐渐变得复杂，最终可以完成一些精细的动作，比如崎岖的路面上行走，或者打开一罐虚拟果冻。

　　探测神经元信号
　　操纵外骨骼，就不像控制虚拟身体那么容易，因此涉及的技术和相关训练会复杂一些。一个必需的步骤是，要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中，才能控制机械假肢。而且在放置电极时，不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内，而且还要能同时探测大脑皮层上的更多神经元。

　　运动皮层(位于额叶)是大脑内负责产生运动指令的区域，它发出的指令通常会传递到脊髓，控制和协调肌肉活动，因此很多电极都会植入运动皮层(一些神经科学家认为，通过脑电图等无创手段来记录大脑活动，可以反映出意识和肌肉之间的对应关系，但目前这个想法还没有实现)。

　　我们小组的成员之一、杜克大学的加里·里修(Gary Lehew)设计了一种新的传感器：记录魔方(recording cube)。我们将它植入大脑后，便可探测大脑皮层中各个方向上的神经信号。记录魔方不像先前微电极阵列，只有电极的尖端能记录神经元信号，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。

　　我们现在的记录魔方已经囊括了超过1 000个有效的记录微细线。按照一个微细线至少记录4～6个神经元的信号来计算，每个魔方可以捕捉4 000～6 000个神经元的电活动。假如我们在负责高级运动和决策的额叶和顶叶皮质区，植入多个魔方，那么我们就能够同时获得上万个神经元的信号。根据我们的理论模型，这些应该足够操控外骨骼，赋予双腿活动能力，让瘫痪患者恢复自主运动。

　　要处理来自传感器的海量数据，我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同植入患者大脑后，它们就可以提取出控制全身外骨骼所需要的初始运动指令。

　　当然，检测到大脑信号后，还需要传递给假肢。杜克大学的蒂姆·汉森(Tim Hanson)博士构建了一个拥有128个频段的无线记录仪，配备有可植入颅骨内的传感器和芯片，这些芯片可以把记录到的脑电波传送到远程接收器上。

　　将来，记录到的数据会通过无线装置，传输到瘫痪患者背包内的小型计算处理单元中，多个数字处理器将运行各式软件，把运动信号翻译成数字命令，用以控制机械外套上的各个活动部位(即致动器)——关节，以及调整机械假肢位置的各种硬件装置。

　　来自大脑的指令
　　在数字指令的驱动下，穿着外骨骼的患者会逐渐迈开步子，调节自身行进的速度，甚至可以屈膝、弯腰、爬楼梯。外骨骼的机电回路(electromechanical circuit)可以直接调整假肢的位置，不需要神经信号的参与。

　　这种类似太空服的机械外套，不仅穿起来舒适灵活，还能支撑起穿着者的身体，起到替代脊髓的作用。通过充分利用源于大脑信号的控制指令与致动器的电子反馈间的相互作用，脑－机交互装置能让瘫痪患者在世界杯上，凭着自己的意志在球场上奔跑。

理想的机械外套不仅能赋予瘫痪患者活动的能力，还能感知脚下的地面。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馈给大脑的微型传感器，科学家就能让机械外套“复制”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接触了。

　　球员的身体一旦与外骨骼发生作用，大脑便会把这个机械外套当作球员身体的一部分。在训练时，球员通过与地面的连续接触，感知机械腿的位置，积累了感觉经验，从而能够在球场或人行道上熟练地迈开步子。

　　当然，在此项研究应用到人体之前，我们不断地在动物身上了进行严格的实验。无论是在巴西、美国还是欧洲，这项研究必须经过监管机构的严格测试，确保科学和道德上的合理性。对于巴西科学界来说，这项成果即便出现了一些不确定性因素，纵使第一次公开亮相的时间很短，但像这种史上少有、具有里程碑意义的研究成果，也足以吸引学者们的眼球。