大英雄天團中的軍武科學－穿戴式的超能力

ww19861228

值得欣慰的是這項科學在變成武器之前幫助癱瘓的人在走動
2014年六月12號，在聖保羅哥林多人體育場（Arena Corinthians）的世界盃足球賽開幕典禮上，一位下半身癱瘓的青年，利用由他自己的大腦活動，操控動力服，達成一件象徵性的成就。


「再度行走計劃（Walk Again Project）」由埃德蒙與莉莉薩弗拉國際神經科學研究所納塔爾分校（Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal；ELS-IINN）主導，與聖保羅的傷殘孩童扶助協會（Association for Assistance to Disabled Children；AACD）合作，於2013年一月獲得巴西科學研究與發展項目資助署（FINEP）所提供臨床階段必要資源，在巴西聖保羅另組實驗室，由長期研發神經復健（neurorehabilitation）方法和外骨骼（exoskeleton）的神經科學家尼可列利斯（Miguel Nicolelis）主持，同時也受到巴西伊塔烏聯合銀行（Itaú Unibanco）贊助。

此計劃中所有測試階段的科學、臨床、技術上的目標都在2014年五月達成。這還只是個開始，不過研發團隊有信心，未來身體癱瘓的人們將可以丟下輪椅，實實在在地站起，再次行走。

第一階段：研發腦機介面（brain-machine interface）

任職於美國北加州杜克大學（Duke University）的巴西籍科學家尼可列利斯，從1984年開始從事這個領域，直到2001年時發想能製造出全新的科技產品，有助因脊髓或神經傷害而下半身嚴重癱瘓的病人，修復他們的觸覺和運動控制（motor control）能力。

這個計劃的第一步是研發所謂的「腦機介面」技術，即能夠讀取大腦神經所放出電子訊號，並從中記錄可以給機器使用的運動控制訊號。此技術不需將訊號再從機器（robot）傳回大腦，即可完成控制圈。

首次觀察實驗是在杜克大學用老鼠和猴子進行。實驗動物們只能在有外來訊號進入大腦時，才可以移動機器手臂或電腦模擬的手臂來操作物品。在另一階段的實驗中，這些動物的大腦受到電子訊號刺激，第一次能夠將不同材質的物品區分開來。


第二階段：外骨骼（動力服）

外骨骼技術的發展進度在第一階段是走在最前端的，而後動力服的設技也能夠馬上反應出大腦訊號。這部份的工作，由來自慕尼黑工業大學（Technical University of Munich）的Gordon Cheng領導一群工程師與研究人員進行，在法國研發，在巴西測試。

第一次的原型機測試非常成功，完全掌握住大腦活動，如同一個共享控制（shared control）裝置，將自發性的運動意念如「我想走路」、「我想停下來」或是「我想踢這顆球」傳達出來，使操控者的心理能與外骨骼的關節控制互動，產生自然流暢的動作。外骨骼上還配有多個陀螺儀，避免行進中跌倒。每一位參與實驗的病人都說，感覺好像真得用自己的雙腳在走路。

此發明對巴西科學界的重要性反應在他們為動力服取的名字上－巴西-桑托斯杜蒙一號（BRA-Santos Dumont I），為紀念亞伯托桑托斯杜蒙（Alberto Santos Dumont），尼可列利斯認為巴西歷來最偉大的科學家。


第三階段：觸覺
為了使「行走」更接近真實，使病人癱瘓的下肢恢復觸覺是非常重要的事；觸覺回饋技術（tactile feedback technology）或人工皮膚，對於恢復觸覺和本體感覺（proprioception；對於肢體或軀幹的位置與動作的感覺，以及對肌肉張力的感覺）是必要的裝置。
人工皮膚裡面是有彈性的印刷電路板，能感測壓力、溫度和速度，會被貼在病人的腳底板，將每一踏步的「觸覺」傳至病人的手臂或其他還有感覺的上肢。原本應該是在腳底的「觸覺」被轉移到手臂，大腦會被引導重新建構「觸覺」和「在地面踏步的感覺」，讓病人感覺下肢沒有癱瘓。

第四階段：讓病人做做看
8783d0776b3caee5f9b3303280c391af

2014年一月展開第一次臨床測試，共有八位病人參與，他們會先與模擬訓練裝置互動，對「新觸覺」熟悉後，才穿上動力服正式行走。

首先病人們戴上虛擬實境目鏡，看著如同在跑步機上穿著動力服行走的模擬畫面，同時手臂接收觸覺回饋－透過人工皮膚傳來的機械式震動；這個神經衝動與目鏡中行進的模擬畫面一致，此時大腦會重新學習感受雙腳與手臂。這個測試還會將虛擬實境換成從足球賽中錄下的真實畫面和聲音，當然包括鬧哄哄的環境和塞得滿滿的觀眾席。

完成以上的虛擬測試後，會讓病人們穿上動力服、戴上佈滿電極的帽子，利用腦波測量技術（electroencephalography；EEG），以非侵入的方式從頭皮測量電子訊號。電腦可以立即解碼這些訊號，操控外骨骼的液壓導線（hydraulic conductors）來產生動作。

2014年四月29號，其中一位病人用大腦命令他的動力服踏出了第一步；五月20號，八位病人平均都利用外骨骼走了120步；接著他們還想測試在世界盃足球賽開幕式的場景中跑步。


下一步
「再度行走計畫」的目標不只是在世界盃開幕式上一展身手，尼可列利斯的團隊以及其他參與計畫的工作人員，都將會繼續努力讓技術進步，幫助下半身癱瘓的病人。至於將相關的技術應用到阿費所穿戴的吉祥物嘛……或許就太大材小用了。

參考資料：

Walk Again Project Becomes A Reality

HNM2738614

這項科技是電影"異形"的編劇發明的