世界杯上的腦控機械腿
科技
作者：張田勘
巴西時間6月12日17時，第20屆世界杯足球賽揭幕戰在聖保羅的科林蒂安球場打響。在球迷的狂歡聲中，身患截癱的28歲的巴西青年朱利亞諾·平托身著一套“外骨骼機器衣”來到場邊，象征性地為本屆世界杯賽開球。平托的機械腿觸球的一刹那不僅溫馨感人，而且酷感十足，展現了當今高科技時代的前沿技術——腦機對接的神奇效果。
腦機接口——大腦指揮假肢
因外傷或其他原因而致截癱的人下肢不能行走，是因為支配下肢運動神經元的信號無法通過大腦傳遞到腿部。為此，美國杜克大學醫學院的巴西籍神經科學家米格爾·尼科萊利斯等人多年前就萌發了一個設想——為截肢患者裝上一個外骨骼機器衣，借此由大腦意念支配假肢（機械腿），以完成行走乃至踢球等動作。
尼科萊利斯等人把他們研究的裝置稱為“神經假肢”，也就是腦機接口或腦機交互設備。平托穿的外骨骼機器衣類似於太空服，包括頭盔、傳感器、計算機、假肢（機械腿）等部分，重量約10公斤，但穿起來卻舒適靈活，而其製作成本則高達8萬美元。
穿上這件衣服的患者可由自己的大腦操控假肢。在平托為世界杯開球的過程中，首先，頭盔設備檢測他大腦發出指令時的腦電波活動，即大腦神經信號。這些神經信號被無線發送到外骨骼機器衣內的電腦上，再由電腦把腦電波指令轉換成數字化指令，指揮假肢行走並踢球。外骨骼機器衣首先穩住“球員”的身體，而後在300毫秒後，大腦信號就會命令假肢（機械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。
與傳統假肢有很大的不同，這種包含在外骨骼機器衣上的機械假肢接受的是由大腦意念轉化而來的數字化指令，從而完成相應的動作。那麼，腦機接口的原理和設想是如何實現的呢？
大腦意念控製外骨骼機器衣和假肢的第一個步驟是，要把電極植入癱瘓者的大腦中以收集大腦的電信號。在放置電極時，不僅要將其植入顱骨下的腦組織內，還要能同時探測大腦皮質中數以千萬計的大量神經元。
指揮人行動的大腦運動皮質位於大腦額葉，它發出的指令通常會傳遞到脊髓，從而控製和協調肌肉活動，健全人就是靠這一指令和程序完成動作的。而要采集到大腦的運動意念（指令）就需要一種傳感器。尼科萊利斯研究團隊成員、杜克大學的加裏·裏修設計了一種新的傳感器，稱為“記錄魔方”，它包含1000多個能記錄大腦電信號的“微細線”。
以前的微電極陣列隻有電極的尖端能記錄神經元信號，但“記錄魔方”可沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經信號。也就是說，“記錄魔方”可以立體采集大腦皮質各個方向的神經信號，而且采集效果驚人。
收集到有效的大腦電信號（意念）不足以讓癱瘓者行動和踢球，還需要把這些神經信號轉化為數字信號，以指揮假肢行動。要處理記錄魔方收集到的大量信號，需要一些神經芯片，並且要把這些神經芯片和微電極一起植入癱瘓者的大腦，這些裝置就可以提取控製外骨骼機器衣所需要的初始運動指令。
傳輸大腦指令的任務是由杜克大學的蒂姆·漢森設計的一個擁有128個頻段的無線記錄儀來完成的，這些記錄儀同時與傳感器和芯片植入大腦，傳感器和芯片收集和處理的大腦電信號就可以通過無線記錄儀傳遞到平托所穿的外骨骼機器衣內的小型計算機處理單元中。計算機的多個數字處理器接到信號後便運行各種軟件，把大腦的運動信號翻譯成數字命令，從而控製機械假肢，包括各個活動部位、關節以及調整機械假肢位置的各種硬件裝置。