叫板马斯克！最强脑机接口仿生手臂横空出世

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叫板马斯克！最强脑机接口仿生手臂横空出世

来源：器械之家

据9月1日媒体报道，美国克利夫兰诊所的研究人员开发出了首个具备直观运动控制、触觉反馈、运动感觉三种重要功能的仿生手臂。这款手臂使用了脑机接口技术，通过佩戴者的意念控制，堪称读心术！

研究发布在9月1日的 Science Robotics 上，文章提到有两名上肢截肢者在安装了这种机械手臂后，完成了一系列手臂功能任务测试。

其中一项测试要求他们在一堆积木中挑出其中具有特定软硬度的那些。最终，两名受试者都像拥有健康的手臂一样，无需不断注视手臂动作，就完成了任务，准确度和普通人相当。

这款假肢让残疾人获得了自然的运动感觉，通过大脑中的一个意识就能控制机械手臂的运动，并且还能获得无比真实的感受，比其他假肢更接近自然手臂的功能，为残障人士的功能修复迈出了重要的一步。

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最自然的仿生手臂

与大多数脑机接口只在一个方向运行不同，双向的脑机接口让这款仿生手臂能够实现大脑信号的发出和机械装置信息的传回。

仿生手臂通过神经机器接口与佩戴者的四肢神经相连，患者的神经冲动从他们的大脑发送到假肢，当假肢移动时，设备会激活假肢上方连接的皮肤和肌肉中的感觉受体，然后将这些神经信号传递给大脑，帮助患者“感受”手臂的运动。

图注：每个小黑盒都连接着其中一个手指的感觉

根据受试者的反馈，在控制手臂时他们只要动用感觉，发起意念，就可以移动手臂完成动作，在接触到物体时，物体的触感、温度、手掌抓握的压力立刻传递回来，就像重新拥有了一个完整的手臂一样，他们可以轻松的拿起带吸管的水杯，而不用担心用力过大把饮料挤出来，也不用依靠视觉去调节动作，机械手臂传回的运动感可以实时告诉他们的大脑，手臂正处于什么样的动作中。运动感也是让动作变得自然的最关键的一环。

前海军陆战队上校断臂重生的故事

克劳迪娅·米切尔Claudia Mitchell 是美国海军陆战队老兵，她在 2004 年的一次摩托车事故中失去了左臂。自2006年起，她一直同克利夫兰诊所的研究团队合作，研发新的假肢。研究人员定期修补她的假肢，不断添加新的技术以提升其性能。

通过外科手术，医生将米切尔截肢部位的神经转移到她的胸部肌肉和皮肤上。当米切尔戴上包裹手臂的安全带时，小型电子放大器会被放置在她胸部“重新布线”的神经上，从而实现双向神经接口的作用。

米切尔还给她的假肢做了美甲，看起来和她的原始手臂更接近一些。作为仿生手臂的几个早期用户之一，米切尔现在已经可以自如的利用手臂抓握、烹饪。这款仿生手臂被她称为“2Ocean”，在疫情来临前，她甚至作为潜水教练周游了世界。

获得变革性研究奖

这项研究由克利夫兰诊所的勒纳研究所牵头，同阿尔伯塔大学和新不伦瑞克大学合作完成。由美国国防部的国防高级研究计划局 (DARPA) 和美国国立卫生研究院共同基金主任办公室资助。

研究的负责人是Paul Marasco 博士，于2016 年获得了美国前总统奥巴马颁发的科学家和工程师总统早期职业奖。肌肉需要感知运动才能正常工作，经过数十年的研究Marasco 博士基本上破解了运动感背后的神经回路，这项关键性的成果于2018年发布《Science Translational Medicine 》上。研究也获得了美国国立卫生研究院 (NIH) 颁发的的变革性 R01 研究奖。

克利夫兰诊所是美国排名最靠前的医院之一，是一家非营利性多专业学术医疗中心。勒纳研究所是克利夫兰诊所实验室、转化和临床研究的所在地，每年在同行评审的生物医学期刊上发表超过 1,500 篇文章。

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百花齐放的脑机接口设备

帮助脊柱损伤患者

尽管克利夫兰诊所的仿生臂是的仿生性能获得了前所未有的成功，但它并不是唯一的双向脑机接口设备。

去年，美国私营非盈利性科技公司Battelle 和俄亥俄州立大学的研究人员首次推出了他们自己的双向脑机接口系统 BrainSTORMS。这项技术可以将大脑与先前因严重脊髓损伤或其他神经损伤而切断的肌肉重新连接起来。

他们在一名完全脊髓损伤的患者脑中控制自主运动的区域植入了一个约 4 平方毫米的微芯片，拾取并放大大脑中微弱的运动信号，通过电机刺激和移动手部的肌肉。让手臂麻木十年的患者实现了物体的拾取和压力感知。不过这个系统不能复原完整的触觉。研究结果发表在在Cell杂志上。

帮助中风患者康复

美国圣路易斯华盛顿大学的初创公司 Neurolutions推出的 IpsiHand 上肢康复系统，于今年4月获得了FDA 授予的市场授权。

这款设备用于 18 岁及以上患者的中风后治疗方案，是第一个获得机构批准的非侵入性脑机接口设备。

IpsiHand 系统包括一个带有电极的头盔，用于记录不受中风影响一侧的大脑活动。这些数据会发送到平板电脑以确定预期的肌肉运动，然后平板电脑发送信号来移动手部支架。

系统旨在帮助手、腕和手臂受伤的中风患者重新学习如何抓握物体并增强他们的抓握能力。一项临床研究表明，所有患者在使用设备 12 周后，运动功能均有所改善。设备可在医生开具处方后在诊所或家中使用，Neurolutions 正准备将其推向市场。

猴子用大脑隔空玩游戏

埃隆·马斯克创办的Neuralink开发的脑机接口设备于2020年7月获得了FDA的突破性设备认定，今年获得许可进行人体实验。这款设备类似一个硬币，将在头骨上制造一个直径约一英寸的洞，连同电池、蓝牙、导电充电器和电极一同植入进大脑的运动皮层。从外观完全无法看出设备的存在。

这款设备先是被植入到了猪上，Neuralink传回的数据准确预测了猪在跑步机上落下蹄子的位置。随后Neuralink又公开了一段猴子玩游戏的视频。在视频中，猴子首先学会了如何使用操纵杆点击屏幕上的方块，奖励是通过吸管送来的香蕉冰沙。最后猴子通过“Link”设备，和游戏机实现了脑机交互，能够在不触动操纵杆的情况下将光标移动到他想要的位置。

据马斯克的创想，这款设备未来可能不光用于医疗，还会应用在各种脑机交互场景中。

马斯克的最大对手

专注于脑机接口研发的Synchron ，被称为是马斯克最大的对手。它研发的Stentrode运动神经假体已经获得FDA临床研究性器械豁免(Investigational Device Exemption ，IDE)批准。

该设备是迄今为止唯一不需要开脑手术的植入式脑机接口。它的外观像一个血管支架，通过颈部 2 毫米的切口被放置在颈静脉内，通过静脉血流被输送到大脑运动皮层，在那里它扩张并停留在血管壁，通过嵌入式传感器来获取大脑信号，并传递给植入在胸部的BrainPort 接收器，再由接收器通过蓝牙把信号传给智能手机、平板电脑或计算机，将大脑信号转换为应用程序上的操作，用于短信、发送电子邮件、银行业务和购物。

初步的实验结果显示，两名被诊断患有肌萎缩侧索硬化症的患者，在植入设备后能够独立控制他们的个人电脑，鼠标点击准确率至少为 92%，平均打字速度为每分钟 14 到 20 个字符。

据公司CEO透露，他们将力争在三到五年内实现设备的上市，目前在推进设备向大脑反向输出的研究。

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美国遥遥领先，国内逐渐兴起

QY Research的数据显示，2019年全球脑机接口市场规模已经达到了12亿元，预计2026年将达到27亿元，年复合增长率为12.4％。其中北美地区是全球最大市场，占总市场份额超过6成。据联合市场研究公司（Allied Market Research）的数据显示，2020年脑机接口的市场规模达到14.6亿美元。如果从脑机接口可影响到的应用领域来看，不论是医疗、教育还是消费，都将带来远超于十几亿美金的巨额市场空间。

美国遥遥领先

目前美国在脑机接口领域遥遥领先，文中列举的公司也都是来自美国。美国的脑机接口技术，尤其在神经界面技术方面百花齐放，已成功开发了多种外周神经电极、三维电极、柔性电极、环形电极、光遗传技术等。

美国政府也在大力推动企业在脑机接口领域的研发，2019 年，FDA发布了一份指南草案，概述了其鼓励和加速开发依赖脑电波治疗瘫痪或截肢的设备的计划。不过迄今为止获得FDA批准用于商业的设备，只有上文所举的IpsiHand 上肢康复系统和在05年获批的 NeuroPort，一种能够在 30 天监测和记录大脑中电活动的电极设备。

国内逐渐兴起

近年来，国内脑机接口研究也取得了显著进展。

例如，天津大学神经工程团队设计的新型卒中人工神经康复机器人系统“神工一号”“神工二号”人工神经机器人。患者将脑电探测器戴在头部，并在肢体的肌肉上安装电极，模拟神经冲动的电刺激引起肌肉产生主动收缩，带动骨骼和关节产生自主动作，帮助中风患者逐步将被动动作转换为主动动作，实现康复。

目前设备已通过国家食品药品监督管理局检测，其中的脑电图仪获得医疗器械注册证，已经在天津市人民医院、天津市第一中心医院、山东省烟台市医院等多家三甲医院临床测试成功，受益患者超过3000人。

常州的博睿康科技也是一家专注于脑机接口产品研发的公司，主要通过微创脑机接入的方式进行着癫痫疾病的闭环治疗。目前研发了三款产品，分别为数字脑电图机、脑电与事件相关电位仪以及高导联数字脑电图机，其中，针对临床脑功能监护、精神疾病初筛需求研发设计的医用事件相关电位仪，以及服务癫痫病灶定位外科手术需求的高频高导联的数字脑电图机在今年9月份相继获得了医疗器械注册证。

脑机接口是真正意义上的“读心术”，除医疗以外，也引发了其他领域的强烈兴趣，比如情绪识别、虚拟现实等。开个脑洞想一想，也许在未来，人们可以在千里之外动用意念，就完成比如手术、施工等高难度操作，甚至艺术家可以直接把脑海中的想象直接呈现出来，人们的劳动都可以被脑机接口代替！不过，到底这样的世界是美好还是恐怖，让我们拭目以待。

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