美科学家让猴子学会用意念控制机械臂(图)

http://www.sina.com.cn 2008年05月29日 13:16  新浪科技
美科学家让猴子学会用意念控制机械臂(图)
猴子想到哪里,机器臂就到哪里

  新浪科技讯 北京时间5月29日消息,据国外媒体报道,美国科学家28日报告称,他们让两只大脑被植入微型传感器的猴子,学会只凭借意念思维控制机械臂,用机械臂去够食物,甚至在必要的时候,它们可根据食物的大小和粘性做出适当的调整。

  目前尚难实现脑控修复

  这项研究是迄今脑机界面(BMI)技术领域所取得的最引人注目的成就。研究报告刊登在最新一期的《自然》杂志的网站上。科学家希望,这一前沿技术最终可以令脊髓损伤患者和具有其他瘫痪疾病的患者能够更为自主地照顾自己的生活。此项研究结果表明,脑控修复术(brain-controlled prosthetics)尽管在目前这个阶段尚不现实,但至少在技术层面可以达到。

  在之前的研究中,研究人员发现,那些瘫痪多年的患者可以用他们的脑波在电脑显示屏上控制光标,而非人灵长目动物也能凭借思维去移动机械臂、机器手或是脚踏车上的自动装置。但是,最新实验在此基础上更进了一步。在此次实验中,猴子大脑似乎将机械附肢当成自己的肢体,在与真正物体相互作用过程中实时地改进附肢的活动。研究人员将猴子的两条胳膊轻轻绑起来,以便让它们学会如何使用机械附肢。

  未参加这项研究的专家称,最新研究发现可能会提升对人体实验的兴趣,尤其是从伊拉克和阿富汗返回国内的美国退伍军人的头部和脊椎损伤需要进行治疗,此类研究变得更加迫切。据美国国家生物医学成像与生物工程学研究所外部科学项目主任威廉姆·赫特克斯(William Heetderks)博士介绍,这项研究事实上是在之前众多研究工作基础上拼凑起来的,对动物可能发生的行为提供了清晰的演示。

  美国布朗大学大脑科学研究所主任约翰·多诺万(John P. Donoghue)博士表示,最新研究之所以重要,是因为它是表明动物如何仅凭借大脑活动,同复杂物体进行相互作用的最全面的研究。

  整个实验令人颇感兴趣

  美国匹兹堡大学和卡内基-梅隆大学的研究人员之所以用猴子来作这个实验,一方面是因为猴子的解剖学同人类具有相似之处,另一方面则是它们脑瓜灵活,掌握新知识的速度快。在实验中,两只短尾猿先用操纵杆感受了一下机械臂,机械臂上有肩关节、肘,以及有两个机械手指的抓爪。随后,科学家在短尾猿的头骨下,植入了一个大块雀斑大小的电极格(grid)。

  电极栅格位于运动皮层处,上面是一层能发出有关手臂和手活动信号的细胞。电极栅格上有100个微型电极,每一个同一个神经细胞连接,其电线由大脑导出,连接至电脑。电脑通过编程可分析100个运动神经细胞的集体放电,将这些发电转变成电子指令,即时发送至装在短尾猿左肩的机械臂。科学家最初用电脑去帮助短尾猿活动机械臂,基本上是教它们理解生物反馈。

  经过几天的重复练习,两只短尾猿无需帮助也能做到这一点。它们被固定在一张椅子上,不断通过大脑操作机械臂去够和抓葡萄、果浆软糖和其他在面前摇摆的食物。这些东西当时有三分之二被放入它们的嘴里,与之前的研究工作相比,这绝对是令人印象深刻的一个比率。短尾猿学会了在靠近食物时,将机械臂的手掌放开,将手指闭合到足以抓住食物的姿势,且在被喂食时会逐渐将紧握的手掌再松开。

  有时,短尾猿在往回收机械臂的过程中将爪子张开,此时食物粘在一根手指上。有时,它们移动胳膊以将手指添干净,或是将剩余的一点食物添进嘴里,对新给它的食物置之不理。研究人员写道,两只短尾猿显然是不折不扣的创造者,它们发现了机械臂的新用途,表现出“在虚拟环境中从来没被看到的一幕。”

  实现患者同外部世界互动

  这篇论文的高级作者、美国匹兹堡大学神经生物学教授安德鲁·施瓦兹(Andrew Schwartz)表示:“在现实世界中,事物不会像预期那样工作。软糖粘在你的手上,或食物滑落,你不能为电脑编程,来预料到所有的一切。但猴子的大脑作出了调整。它们正在舔滑落下来的软糖,将食物放进自己的嘴里,好像那就是它们自己的手。”

  其他参与这项研究的科学家还包括米尔·维里斯特(Meel Velliste)、萨基·皮埃尔(Sagi Perel)、昌斯·斯帕尔丁(M. Chance Spalding)和安德鲁·韦特福德(Andrew Whitford)。专家表示,在这项技术实际应用之前,科学家必须清除几个障碍。可植入电极栅格通常只能持续工作几个月,至于这其中的原因,尚不得而知。读取和传输信号的设备一般大而笨重,且需要连续对其进行监控和重新校准。

  目前,尚无人证明哪一种无线系统可以使用,这种无线系统可以消除通过头皮进行连接的需要。施瓦兹博士研究小组、多诺万博士研究小组及其他研究小组都在全力以赴,欲攻克这些难关。另外,两只短尾猿在将机械附肢当作自己的胳膊过程中的快速学习曲线给了科学家信心:即主要障碍在技术方面,而这一点都是可以克服的。

  蒙特利尔大学神经科学家约翰·卡拉斯卡(John F. Kalaska)博士在随研究报告一同刊登的评论中说,在研制出这样的装备后,科学家甚至可以发现可允许修复装置进行更亲密、更精密的控制的皮层部位。卡拉斯卡博士写道,这样的系统将使得那些具有严重运动障碍的患者同外部世界进行互动和交流,不仅可以通过对自动设备运动的即时控制,也能够以一种反应整体目标、需要和偏爱的更自然、更直观的方式。(杨孝文)

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