機械仿生義肢結合人工智慧,幫助截肢人士做出更精細的動作

Infinite 的機械義肢(圖:Infinite)

美國新創公司 Infinite Biomedical Technologies 開發出機械義肢,並運用人工智慧演算法,來幫助截肢人士辨識義肢做不同動作時的大腦神經訊號,讓機械義肢可做出更精細的動作。另一家義肢製造商 Coapt,也已開發出類似產品,並結合人工智慧和仿生技術,希望能造福更多截肢人士。

仿生義肢

美國青年安德魯·魯賓(Andrew Rubin)坐著,透過筆電觀看一隻機械義肢做開合動作。魯賓的右手因為全身性敗血症感染在幾年前截肢,但是他用一個安裝在上臂的機械義肢做著手部動作。這個機械義肢的電子裝置與一個能記錄他神經傳導訊號的盒子做連結,讓魯賓能訓練他的義肢活動。魯賓表示:「當我想要握拳,我前臂的肌肉會收縮。此軟體能夠辨認我想要屈曲或伸展我所沒有的手掌。」

每年有超過 15 萬人因為意外或是其他醫療因素而接受截肢手術,大部分的人能裝上可判讀少數訊號的義肢。但 Infinite 公司正在利用更好的訊號處理、模式辨識(pattern recognition)軟體及其他進階工程方法,來製造全新的義肢控制器,讓魯賓及其他患者有更便利的生活。

其中的關鍵是讓義肢手臂收集更多大腦神經訊號,並利用人工智慧將特定的大腦神經信號和動作連結起來。Infinite 執行長拉胡爾·卡利基(Rahul Kaliki)表示:「大部分的病患都希望能做到超過兩種動作,例如握放拳頭或旋轉手腕。模式辨識能讓我們能做到這點。我們正在透過義肢收集更多的動作。」

借助人工智慧

Infinite 的研發團隊正在建造一項產品,這是一種稱為 Sense 的電子控制系統,該系統能連結到義肢手臂,並收集來自上臂八個電極的訊號。透過平板應用程式許多小時的訓練,當魯賓移動他的上臂做出幾個動作,這個裝置能夠偵測到其神經訊號的含義,讓義肢能做出恰當的抓握動作。

近日,美國食品藥物管理局(FDA)已允許 Sense 在美國上市。在 2017 年,FDA 已准許另一家義肢開發商  Coapt 販售類似的系統。Coapt 執行長布萊爾·洛克(Blair Lock)表示,現今已有超過 400 位人士在家使用這樣的產品。要擁有 Coapt 的機械義肢,且根據客製化需求訂製,大約需花費 1 萬至 1 萬 5 千美元(約 31 萬至 47 萬台幣及 78 萬 至 118 萬港幣)。根據洛克的說法,一般的傳統人工義肢大概也需要這樣的價格。

洛克在 13 年前開始在芝加哥復健研究所(Rehabilitation Institute of Chicago)擔任工程師,並和修復截肢病患受損神經的外科醫師合作。他認為,若是能夠找出一個更好的方法接收來自身體的訊號,有助於製造出更好義肢。洛克表示:「最好能使用生物電子訊號,以便用更自然、更直覺的方法去控制義肢。」他認為,神經訊號是非常微弱的,但其中包含大量訊息,必須像聆聽交響樂一樣仔細分辨。

Coapt 公司的機械義肢(圖:Coapt)

日新月異的仿生科技

28 歲的妮可·凱莉(Nicole Kelly)出生便少了左下臂,她在一年前獲得 Coapt 新的義肢裝置。如今她可以將新鮮胡椒磨碎到食物上,並且拿著卡片和朋友玩卡牌遊戲,也可以打開啤酒罐。

凱莉表示:「我以前無法做到很多事情,突然間我就能輕易地做到。」但她仍不覺得她的義肢是身體的一部分。即使是正確握住胡椒鹽罐的過程,也要經由不斷的學習和訓練才做得到。Coapt 設計了一個重置按鈕,讓凱莉在自認為抓握動作不如預期時,能重新進行模式辨識的學習。她重新訓練義肢只需要大約兩分鐘。

除了上述技術之外,Infinite 的工程師還研發出一種無線射頻識別(radio frequency identification, RFID)標籤,並發送給截肢人士,讓他們能貼在門把、廚具和其他家居用品上,這些是他們會在日常抓握的東西。義肢內的控制器可以探測到 RFID 標籤,讓義肢能根據不同的情境,使用不同的抓握力道和動作。

這項科技尚未能提供給所有人使用,而且需要大量的訓練才能使用。然而截肢人士都會希望此類裝置能早日上市,讓他們能自主完成日常生活中的精細動作。

 

參考資料:

  1. Eric Niiler (2018. Oct. 08.) Bionic Limbs ‘Learn’ to Open a Beer. WIRED
李依涵
李依涵 18 文章
任職於台北的醫院,閒暇之餘喜歡寫作、讀書,喜歡看一些新奇的知識。特別對醫學、生物、生化、生物科技、環境有興趣。有任何問題請不吝聯繫,與人交流經驗是很棒的題材。

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