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增加触觉改善机械臂的控制

导读 大多数非残障人士认为他们能够完成简单的日常任务是理所当然的。例如,当他们伸手去拿一杯热咖啡时,他们可以感觉到它的重量和温度,并相应...

大多数非残障人士认为他们能够完成简单的日常任务是理所当然的。例如,当他们伸手去拿一杯热咖啡时,他们可以感觉到它的重量和温度,并相应地调整自己的抓握力,以免液体溢出。对手臂和手有完全感官和运动控制的人可以知道他们在触摸或抓住物体的那一刻就与物体发生了接触,从而使他们能够自信地开始移动或抬起它。

但是,当一个人操作假肢时,这些任务变得更加困难——更不用说精神控制的了。

在《科学》杂志上发表的一篇论文中, 匹兹堡大学康复神经工程实验室 的一个生物工程师团队描述了如何添加能够唤起触觉的大脑刺激使操作员更容易操纵大脑控制的机械臂。在实验中,用人工触觉感知补充视觉将抓握和转移物体的时间减少了一半,从 20.9 秒的中位数时间缩短到 10.2 秒。

“从某种意义上说,这就是我们希望发生的事情——但可能不会达到我们观察到的程度,”共同资深作者、皮特 物理医学与康复系副教授詹妮弗·科林格说。 “四肢和手部的感觉反馈对于我们日常生活中的正常事情非常重要,当缺乏这种反馈时,人们的表现就会受到损害。”

研究参与者内森·科普兰(Nathan Copeland)的进展在论文中有所描述,他是世界上第一个不仅在他的大脑运动皮层而且在他的体感皮层——大脑中处理感觉信息的区域——植入微型电极阵列的人从身体。阵列使他能够用他的思想控制机械臂并接收触觉感觉反馈,这类似于一个人的脊髓完好无损时神经回路的运作方式。

“我已经非常熟悉刺激产生的感觉和在没有刺激的情况下执行任务。尽管这种感觉并不“自然”——感觉就像压力和轻微的刺痛——但我从来没有打扰过,”科普兰说。“我真的没有任何时候觉得刺激是我必须习惯的。在接受刺激的同时完成任务就像 PB&J 一样。”

在一场车祸导致他的手臂活动受限后,Copeland 参加了一项 测试感觉运动微电极脑机接口 (BCI) 的临床试验,并植入了由 Blackrock Microsystems 开发的四个微电极阵列(通常也称为犹他州阵列) )。

这篇论文比早期的一项研究向前迈进了一步,该研究首次描述了 如何使用微小的电脉冲刺激大脑的感觉区域可以在一个人的手的不同区域唤起感觉,即使他们由于脊柱而失去了四肢的感觉。脊髓损伤。在这项新研究中,研究人员将读取大脑信息以控制机械臂的运动与将信息写回以提供感官反馈相结合。

在一系列测试中,要求 BCI 操作员从桌子上捡起各种物体并将其转移到升高的平台上,通过电刺激提供触觉反馈使参与者完成任务的速度是没有刺激的测试的两倍。

在新论文中,研究人员希望在尽可能接近真实世界的条件下测试感官反馈的效果。

“我们不想通过消除感知的视觉成分来限制任务,”共同资深作者 、物理医学和康复系副教授罗伯特·冈特说。“即使是有限和不完美的感觉得到恢复,人的表现也会以相当显着的方式得到改善。我们还有很长的路要走,让感觉更真实,并将这项技术带入人们的家中,但我们越接近重建大脑的正常输入,我们的生活就会越好。”