本文经授权转载自：约翰霍普金斯医院
冲浪时发生的一场意外，让Robert Buz Chmielewski 30 多年来一直处于四肢瘫痪的状态，他的肩膀、二头肌和手腕仅有一些残余功能，手和手指的活动和感觉极少。
但是最近，他用自己的思想控制两个仿生手臂，第一次成功地给自己喂了蛋糕。这也标志着约翰·霍普金斯大学在帮助残疾患者恢复肢体功能和自主性方面迈出了一大步。
视频：智能软件将餐具放在正确的位置，然后 Chmielewski 使用他的大脑信号用刀和叉切分食物。完成切割后，软件将食物送到嘴边，之后他再次使用大脑信号将食物送到嘴里。
研究背景
这是约翰·霍普金斯大学研究人员正在进行的脑机接口研究的一部分。
该研究由美国国防高级研究计划局牵头，研究人员分别来自约翰·霍普金斯物理医学和康复系，神经病学和神经外科，以及约翰·霍普金斯大学应用物理实验室。研究旨在控制假肢运动并诱导触觉，从而帮助瘫痪患者更独立地生活。
2019 年 1 月，外科医生进行了一场 10 个小时的手术，将六个微电极阵列植入 Chmielewski 的两个脑半球中。每个阵列都是两个半英寸（约蚂蚁大小）的正方形，看起来像一个计算机芯片，下面有少量的尖峰，是连接到神经细胞束的刚性小电极。其中三个阵列连接到 Chmielewski 的运动皮层（控制他左臂和右臂的大脑区域），另外三个阵列连接到感觉皮层，这些区域用于传递来自假肢的感觉反馈。
之后数月，他就已经能够靠思想控制并移动仿生手臂了。当他考虑移动手臂时，神经信号从他的大脑传到计算机，再到假肢。当假肢手指触摸物体时，微小的传感器会将信息发送回他的大脑。
对于 Chmielewski 来说，即使信号已经改道通过了计算机和假肢，他的感觉还是像在用实际的手触摸物体。
他说：“取决于假肢接触的地方，我会有不同的感觉。” “可能从压力（就像有人在握住你的手）到感觉到在细砂纸上摩擦手指的感觉。”
研究小组通过微电极阵列来读取 Chmielewski 的大脑信号。这些信号有助于开发一种机器学习算法，解码用户的意图并将其转变为特定神经信号的模式。然后，计算机转换神经模式以指导假肢的运动。
随着 Chmielewski 在脑机接口上进行更多的训练，该算法能“学习”他的想法然后对应移动假肢，这就像多加练习能让你网球打得更好一样。
研究进展
这是科学家第一次能够将人的大脑连接到两个仿生手臂，同时还可以从人的手指获得反馈。
“大部分脑机接口研究集中在仅从大脑一侧控制的一只手臂上，”约翰·霍普金斯大学医学院物理医学与康复学教授 Pablo Celnik 说，而这可能会限制两个肢体的运动控制。尤其是对于需要同时进行双手协调运动的更复杂的任务，例如打开瓶子或切割食物，使用大脑的两侧就变得很有必要。
“同时控制两个肢体的脑机接口是一个特殊的挑战，因为它不是大脑中左臂所做的事情与右臂所做的事情的简单 1 + 1 求和，而更像是尝试计算两臂加成1 + 1 等于 3.8，” 研究团队成员之一、约翰·霍普金斯大学医学院物理医学与康复学助理教授 Gabriela Cantarero 博士补充说。
“大脑两侧的信号经由植入的电极下达至两个仿生手臂，控制它们将糕点切成薄片并将其放到嘴里，这是我们朝直接从大脑获得指令实现更复杂任务控制所迈出的明确的一步，”Celnik 表示。
约翰·霍普金斯大学医学院物理医学与康复学教授 Pablo Celnik
此外，该研究所使用的设备系统可通过人工智能使部分机器人控制自动化。
“我们最终希望通过让机器人承担一部分工作、用户只需要负责细节——要吃什么食物，要从哪里切开，应该切成多大的块等等，就能轻松完成诸如吃饭之类的活动，”研究团队成员之一、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室高级机器人专家 David Handelman 博士说：“通过将脑机接口与机器人技术、人工智能相结合，我们使用户可以专注于任务中最重要的部分。”
研究展望
该团队正在研究哪些类型的运动需要大脑的双边输入来实现控制。他们下一步的研究包括逐步测试更复杂的双手运动并确定刺激大脑的方法，使触摸的感觉更加自然和有用。
研究团队的主要目标之一是改善使用者的独立性。物理医学和康复学教授Pablo Celnik说，像 Chmielewski 这样的患者有一天将能够使用两个仿生手臂开啤酒，打字或打篮球。他说，及时的、受思想控制的手臂可以连接到患者周围的外骨骼上，这将有助于执行某些任务。
Celnik 说，随着研究的进行，他们的目标是使大脑和仿生手臂之间的连接更像我们的大脑运作。患者不必做出有意识的决定来移动手臂，它会自然而然地发生。
改进的人机界面也意味着，这两个手臂最终将作为一个整体而不是单个设备一起运行。想象一下，一只手拿着钉子，而另一只手帮忙将钉子钉在墙上。“一只手臂作为辅助；另一只手臂完成出色的动作。” Celnik 说。
为该任务设计脑机接口控件比看起来要困难得多，因为动作的某些部分要求每只手朝着不同的目标独立工作，而其他部分却又需要两只手以协调的方式协同工作。Cantarero 说：“这是因为我们的大脑反映一只手的动作方式可能会非常不同，具体取决于另一只手在做什么。”
如果成功的话，该研究将为肢体缺失、瘫痪或脊髓损伤的患者带来巨大的希望。未来，双仿生手臂系统也有可能安装到机器人上，以执行人类不喜欢做的肮脏，危险或无趣的任务，比如探索和维修下水道或地下隧道，飞往火星挖掘岩石样本。
Celnik 说：“这有点像科幻小说，但这是可能实现的。”
免责申明：
此信息仅用于科普目的，不能代替医疗意见。本文由约翰·霍普金斯医疗集团发布，未经允许，不得转载。
编辑：Joan Liu
资料来源：
https://www.hopkinsmedicine.org/news/newsroom/news-releases/research-story-tip-brain-implants-enable-man-to-simultaneously-control-two-prosthetic-limbs-with-thoughts
https://hub.jhu.edu/2020/12/28/quadriplegic-man-feeds-himself-with-brain-controlled-prosthetic-arms/
https://www.hopkinsmedicine.org/physical_medicine_rehabilitation/research/tetraplegia-brain-study.html
https://expmag.com/2019/12/one-brain-two-bionic-arms/
https://www.hopkinsmedicine.org/news/articles/study-aims-to-enable-control-of-prosthetic-limbs-with-thoughts
转载来源：
https://mp.weixin.qq.com/s/AI5H-8tggaCXJ0ECpP9FHg
编者按：
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