机器接管肌肉——功能性电刺激

本文来自 PingWest 品玩特约作者啸语。“原创技术观察,写给万分之一的创新者”。

机器正在接管人类的视觉(参照前篇),也在逐渐接管汽车油门,你有没有想过肌肉也可以让机器接管?

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虽然电击疗法这个词给大部分人的第一印象被某电击教授玩坏了,但是功能性电刺激这项技术本身并没有错,并且应用非常广泛。

功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation, FES)是指利用一定强度的低频脉冲电流,通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉,诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动,以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。

最著名的功能性电刺激应用是名侦探柯南同学的球鞋。目前还没看到通过电刺激让肌肉输出更强力量的实例,不过功能性电刺激接管肌肉并不科幻,技术门槛甚至可以低到创客水平。

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利用功能性电刺激来遥控昆虫的早期研究由 DARPA(美国国防部先进计划研究署)赞助,他们希望把这种 “混合机器人”应用于救灾侦查等任务,因为昆虫的续航能力比目前同尺寸的机器人或者无人机更强。随着研究的成熟,致力于向更多人普及神经科学的 Barkyard Brains 开发了用于DIY赛博格蟑螂的 RoboRoach 套件,并且公开了实验课程,难度适合大学生和成人监护下的高中生。

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最近,加州大学伯克利分校的Michel Maharbiz等人首次实现了遥控甲壳虫的高精度飞行控制,包括起飞、空中左旋转、右旋转以及悬停等动作,

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功能性电刺激的具体刺激方式目前主要有三种:表面式电刺激、经皮式电刺激和全植入式电刺激。表面式电刺激的准确度较差,表面电极甚至有可能因为姿态变化而移动,但是因为具有无创的优势,是目前的主流选择。

将于2016年在瑞士苏黎世举办的第一届 Cyabthlon人机奥林匹克,六大比赛项目之一就是功能性电刺激自行车比赛。该项目限定运动员只能是因为脊髓损伤而截瘫的残疾人,通过功能性电刺激驱动腿部肌肉进行自行车比赛(从下图可以看到贴在运动员腿部的电极)。在比赛技术规则中允许采用表皮或者植入刺激手段,但是植入必须保证6个月的医学稳定。

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通过同样的原理,让患者维持站立平衡也是可行的。实现患者的站立、行走,需要FES系统最低6个通道。上肢的运动比下肢复杂许多,通过多通道的FES系统刺激手臂肌肉,可使病人完成各种抓握动作。FES 刺激尿道括约肌和盆底肌,可以增强其肌力

瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发出了可以让瘫痪老鼠重新步行的“e-dura”植入设备。在实验中,将老鼠的中背部脊髓完全切断,同时在老鼠脑内的运动皮质和脊髓植入电极,读取脑内的运动意图,并且成功在脊髓复原神经信号,从而让瘫痪的老鼠恢复行走能力。

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功能性电刺激技术也可以用来帮助正常人,佐治亚理工学院教授以及谷歌眼镜的技术负责人Thad Starner 开发的手套能够通过电刺激促进肌肉记忆,让用户在“不知不觉”中学会弹钢琴。

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看到这里,像自动驾驶一样,把步行也交给机器这件事就不再荒谬了。并且这对于盲人来说是现实的,假设人工视网膜和外骨骼联动,就完全可以把走路动作托管给机器,边走路边发微信,而不用担心被车撞。

不止控制肌肉

除了代替神经系统来驱动肌肉,功能性电刺激还可以用来辅助传递信息。科罗拉多州立大学的 John Williams 教授等人研制了人工耳蜗的低成本替代品:牙架上的电极阵列通过把声音转化为电信号,刺激舌头上不同位置的神经。经过训练,用户完全可以将舌头发麻的程度与给定的单词相对应。

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神经系统除了控制肌肉运动之外,也在每时每刻管理着消化和呼吸系统,控制内脏运行。那么通过植入式设备就可以调节很多紊乱疾病,比如哮喘、高血压和糖尿病等,从而取代口服或注射药物。该领域的研究成果正在越来越多的转化为实际产品,生物医药巨头葛兰素史克公司最近宣布将提供5百万美元的创新资金用于支持生物电子医药设备的研发。

神经系统可以调节人体动脉的紧张程度,并控制心脏收缩的强度和频率,从而控制血压。利用直接刺激颈动脉的实验植入物,可以降低血压。

美国食品药品管理局(FDA)已经审核通过了首款食欲控制装置,该设备类似于人体下腹部的心脏起搏器,释放电脉冲屏蔽饥饿信号,同时将饱足感信号的频率提升。当然该设备因为可能带来包括恶心、呕吐、植入位置的疼痛等副作用,尚未实用化。

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脊髓电刺激可以有效的消除持续性和激发性疼痛,已经得到了广泛应用。

非侵入式的电刺激止痛设备也已经出现,比如佩戴在腿部的Quell,利用神经刺激技术缓解疼痛,尤其是由糖尿病、纤维肌痛和坐骨神经痛引起的疼痛。

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