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Nature:半机械人奥运会Cybathlon

2016-08-04 16:02
瑾年Invader
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  大脑的力量

  显然,脑机接口(BCI)竞赛是最奇怪的,有15名运动员穿戴着设备笔直地坐上4分钟,同时比赛现场的大屏幕上放着他们大脑里出现的内容。每名运动员都将利用大脑活动特定的模式尝试引导一个屏幕上的字符通过障碍物,字符由一个电极帽转换成三个命令:加速,跳过障碍或者翻滚过激光束。

  基本上,这些模式可以是任何东西。比如,在英国科尔切斯特的埃塞克斯大学,博士后AnaMatran-Fernandez带着一群在读和已经毕业的学生已经设计出一个算法,能够将这三个动作与运动员的想法或者他/她们的手脚联系在一起,或者通过一个数学方程与的执行的任务联系在一起。

  这个电子信号很弱,而且每个信号都不同,所以可能很难在各种命令中被区分开来——尤其当一名运动员因为比赛中的欢呼和肾上腺素分心时,持续专注任务是非常消耗精力的,洛桑的瑞士联邦理工学院神经科学家JosédelR.Millán说到。他团队正在研究如何预测思维模式,以使这种联系更加自然,同时让运动员放松。

  BCI可能不再会用于真实的跳跃和跑步中,因为探测肌肉中的电子活动非常简单。但是如果这类设备的制作成本能低一些,也够精确的话,他们可能会帮助残障人士来引导轮椅,游标或者甚至是带有Skype功能的机器人,让他们事实上参与到比赛中来。「事实上,你能在实验里开发这个技术然后将它做出来,看着它确实有用,意味着这个技术是有前景的,」Matran-Fernandez说。

  在使用BCI的比赛中,运动员将使用BCI在已经开发出的特殊电脑游戏中控制他们自己的化身。

  其他的Cybathlon赛事将利用更传统的设备得到巨大的进步。在假肢竞赛中,选手必须跨越像楼梯,散落的石头,倾斜的路面和门这类障碍,更不用说坐在轮椅上和站起来这种基本的动作了。几名参赛选手将会戴上最先进的人工膝盖和脚踝,能探测到运动员行走时的力量和加速,而且当他们快要跌倒时,及时修正他们的动作。

  但是与整个身体自然的动作相比,即便是最先进的人体工程也会相形见绌。当一个人用一只血肉之躯的手臂捡起一支笔时,他们的大脑和外周神经系统会协调出手与笔的距离,知道如何把每个手指的关节弯曲成一个精确的形状,知道抓起这只笔的难度——所有的这些都是无意识的。但是标准的可移动假肢,如用挂钩和缆绳类型的假肢,则需要使用者有意识地去做这些事情。这样很费劲儿,这就是截肢者为什么不愿戴这些假肢的一个原因。

  为了尽可能地实现那种自然的无意识效果,研究者们不得不创建能够解码肌肉和神经信号的计算机算法,并预测出穿戴设备的人想要做什么。在加拿大的本拿比,一个名为MASS的Cybathlon团队正在与残障运动员DannyLetain合作,他是加拿大前残奥会运动员,1980年在一次铁路事故中失去了左臂。这个团队已经做出了一个手臂假肢接在Letain的残肢上,上面有一个平面按钮板。

  Letain利用对一只手的记忆,想象做出11种姿势中的一种,比如用手指指向某处。残肢上的肌肉会按压这些按钮,并告诉他的假手去做他打算做的动作。在他停止了对那条失去的手臂上的任何「幻痛」很久之后,Letain很高兴地发现曾经控制手指的大脑回路仍然能执行命令。「我正在用一个我已经35年没用过的东西,」他说。

  有些手臂甚至更先进。由查尔摩斯工学院(瑞士哥德堡)的生物医学工程师MaxOrtizCatalan领导的队伍开发了一种双向假体手臂,可以在运动的时候产生感觉。(M.Ortiz-Catalanetal.Sci.Transl.Med.6,257re6;2014)这个手臂是永久植入在佩戴者的骨骼中的,使用多达9个电极来接收残肢肌肉发送至该假肢的电机指令,并将手指传感器中的信号传回手臂的感知神经元。Cybathlon的驾驶员MagnusNiska是世界上唯一在实验室外穿戴过这种假肢的人。OrtizCatalan希望感知到物体的能力会给Niska带来竞争优势。

  由凯斯西储大学(俄亥俄州克利夫兰)的生物医学工程师RonaldTriolo领导的团队为FES脚踏车比赛设计了类似的装置,在这个比赛中,脊柱受伤的选手们会绕着一个环轨骑行750米。包括Bergeron,许多参赛者都使用皮肤上的电极模拟腿部肌肉。但是克利夫兰的这个系统原本是被设计来帮助下肢麻木的人使用拐杖行走的,特征电极如外科手术般地被植入到腿部肌肉中。通过一个外部设备,穿戴者选择一个菜单选项后,比如「坐下」。一个内置的脉冲发生器就会激活电极,引发肌肉以正确的次序收缩。

  当Triolo听说了Cybathlon以后,他意识到他可以把自行车加入志愿者的练习项目中。他的团队装配了一辆带有传感器的横卧三轮车,可以在骑车人蹬车时探测到他或她腿部弯曲的角度,还可以自动转换模拟模式,让一条腿向前推的同时另一条腿向后拉。

  Triolo说所有植入了他电极的27个人都想尝试骑车。在对他们进行了资格训练后,他最终选定了几个参赛者参加Cybathlon。「我们想去瑞士并赢得这场比赛,」他说。「然后我想以此为跳板,在这里建立起一个锻炼项目。」

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