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《大英雄天團-穿戴式的超能力》Walk Again Project

還記得《大英雄天團》的阿費第一次穿上彈跳噴火龍套裝時有多興奮嗎?是什麼樣的裝束,讓人穿上時會有美夢成真的感覺呢?

Photo by Disney

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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

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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:

關於作者

張鳳茹

PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。