指尖上的科学带来便利，AI义肢用“意念”复原截肢者手指功能

假肢技术每年都在进步，但大部分的假肢还是欠缺足够的肢体力量和控制精准度。想象一下，当一个人的手肘以上被截肢，通过在他们剩余的肌肉上安装传感器和信号接收装置，他们可以很容易地抬起手臂，并将手臂指向他们所要抓取物体的位置。但是这样普通的“握力”、“释放”信号的技术会使控制手指活动的许多肌肉、肌腱功能都会慢慢消退，随之患者失去的便是 感知 能力，即使装上人工假肢，手指也无法随意弯曲。那么，手也变失去了原本的机能。

洛桑联邦理工学院（EPFL）的一个研究团队目前正在研发一种使用 机器学习 （Machine Learning）算法 为截肢患者提供前所未有控制度的智能机械手臂。这些科学家专攻于神经工程学、 机器人技术 领域，这项研究的结果也被发表在《自然·机器智能》（ Nature Machine Intelligence）上。

图片来源：Nature在验证概念阶段，有3名截肢者和7名健康者参与到试验过程中。这一 人工智能 系统另一个重要组成部分和神经学有关，智能手臂需要解码来自现有运动神经的信号（这些信号的作用是向手指发出移动指令）。现有运动神经信号来自截肢者残肢剩余的神经，通过AI技术最终能被转换成 单个假肢手指的运动信号，从而佩戴者可灵活控制义肢的单个手指，并自动释放握力信号来抓住物体，这是前所未有的突破。

有“意识”的智能手臂

基于 机器学习 的假肢首先需要 解读用户的运动意图，并将这些意图转换为假肢手指的实际运动。研究人员在训练这一算法时，将传感器佩戴在截肢者手肘以上，紧接着让他们做几个手部动作来检测其手肘上部的神经肌肉活动。这样，AI就可以“意识”到患者截肢部位的肌肉刺激与特定的手部运动的关系。完成上述训练过程后，智能手臂不仅能实现运动意图到手指实际动作的转换，还将有助于实现各类复杂抓握姿势的实现。

动图来源：EPFL Youtube

论文第一作者Katie Zhuang说:“由于肌肉的表面电肌信号可能存在噪声，我们需要从这些肌肉中提取有意义的活动，将其转换成预期运动的信号。”所以该算法还 滤除了与目标运动无关的肢体信号，只关注那些对预期动作有用的信号，这样也就加快了 人工智能 系统的运作效率。

控制方案：提高抓握灵活度

然后，研究团队又进一步优化算法，提出一种控制方案，来 提升智能手臂在抓握物体时力度与精准度的控制。当智能手臂的传感器遇到一个物体时， 人工智能 算法会将手指合拢，以抓取的手势拿起物体。比如，下面这张动图，佩戴者需要将水倒入杯子中，AI意识到“倒水”这一运动意图后，便会以最合适的力量、角度自动抓取水瓶。这一套动作下来，智能手臂对于力量把控、精准度控制的能力清晰可见。那么同理，泡咖啡、切水果等等这样的动作都不在话下了，这会为更多截肢者带来便利，提升其生活质量。

动图来源：EPFL Youtube当然，这款智能机械手臂还有 防“手滑”的功能。它可以在 400毫秒内做出应急反应，其手指组件部分装有压力传感器，可以在大脑察觉到物体有滑落之势前，及时反应并快速稳定物体。

不过研究团队称，这款智能机械手臂距离成为一款上市的产品还需要一段时间。研究团队目前正在对其进行更深入的开发与研究，AI算法必须经过重重优化才能最终被整合到假肢装置中。

他们还表示，未来这款 人工智能 技术控制的 机器手臂 将会被用于多种神经假肢应用场景中，比如在临床上应用仿生技术手臂结合脑-机接口技术等。我们期待有更多的实用科技走进患者的世界，提高其生活质量，也期待它们能为现代医学带来更多前行的驱动力。

参考资料

[1] AI-Powered Prosthetic Hand Provides Unprecedented Control for AmputeesRetrieved Sep 17, 2019 from https://www.docwirenews.com/future-of-medicine/ai-powered-prosthetic-hand-provides-unprecedented-control-for-amputees/

[2] This prosthetic arm combines manual control with machine learningRetrieved Sep 17, 2019 from https://techcrunch.com/2019/09/13/this-prosthetic-arm-combines-manual-control-with-machine-learning/

[3] Shared human–robot proportional control of a dexterous myoelectricprosthesis from Retrieved Sep 17, 2019 from https://www.nature.com/articles/s42256-019-0093-5