给假肢装上感觉

从16世纪起，医生们就试着为严重组织创伤者进行截肢手术，而假肢也随着装着木腿和勾手的海盗们与截肢手术一起漂浮在种种传说中。由于急救医疗的迅猛发展，越来越多的患者能够成功撑过截肢手术，时间到了现在，作为术后伴侣的假肢也越来越完善，从简单的辅助功能逐渐进化到达成替代功能。甚至，在某些方面，假肢的功能超过了正常肢体——记得残奥会上的“刀锋战士”吗？他的下肢假肢的韧性和耐久度上限是强于自然肢体的。

然而，长久以来，假肢始终有一个短板没被解决，那就是——触感。虽然说，在人工手上安装压力传感器，已经能够比较容易的让假肢佩戴者完成抓、握、按压等动作，但是让使用者感受到类似真实肢体带来的触感，还是一项比较困难的工作。

难在哪里？

人类的皮肤是一种多层的粘弹性材料，它可以从放松状态伸展扩张到125%而不损失任何一点对外界压力和温度的感知。除了这种优秀的接收性能，人体对感觉的传感机制也是精密而复杂的。比如说，人体皮肤固有的机械性刺激感受器，能把感受到的刺激转化为一波又一波的神经脉冲，感受到的压力越大，它传递的脉冲频率越高。

对“给假肢装上感觉”这个课题的研究，一直在进步。时至今日，给假肢移植感觉已经是最好的解决断肢幻痛的方式。

回顾过去对假肢触感的研究，较早的设计，只是粗糙的在肢端装上几个感受器，将压力感受传递到佩戴者的外周神经或脑神经组织，这种设计局限性很大，无法分辨压力的层次和种类。在后来的改进设计中，假肢上的感受器越来越多，触感逐渐变得有层次而细致，但是，在传感原理上不符合人体自然的生理程序。在传输感受信号的时候，只能利用单一电子信号的强度来区分感受力度，而不像自然的生理过程一般利用不同的脉冲频率来区分。也就是说，当感受到较强作用力的时候，感受器会发出相应的较强的单一信号，而这个信号还需要被传给另一个芯片，在那里被转化为可识别的神经脉冲，传送给外周神经。

攻克仿生学

受到皮肤天然的传感原理启发，斯坦福大学的研究小组决定制作能够直接大量产生脉冲信号的感受器，来省去传递中的工序。目前，研究小组为了使感受器感受到的范围更细致，把它的形状从圆柱形修改成了能够翻转的小金字塔形，这样一来，从轻轻地抚摸到强而有力地握手，感应器都能够很清楚地感应到了。他们在此采用的环形振荡器，能直接把金字塔形的感受器接触其他物体时产生的电子信号转换成脉冲信号。而就像自然的生理活动那样，当接触到更大力度时，环形振荡器会发出更高频率的脉冲信号。

解决了前端传输问题，这个小组又着手解决神经对假肢信息的接收。习惯上，传递电信号需要把金属电极接在大脑体感皮层，但是金属电极会较快的破坏大脑组织，无法维持长期功能。因此研究人员选择将脉冲信号传输到一个发光二极管，让二极管产生蓝光脉冲使实验用小鼠的大脑得以接收。实验结果让人欣喜，小鼠的大脑成功接收了假肢发来的感受信号，并予以了反射回应。这足以让截肢者获得拥有触觉的假肢的希望熊熊燃烧。

这个项目目前的应用难点在于，小鼠的大脑体感皮层可以通过基因修改而能吸收蓝光脉冲并发出回应，临床医生并不能对患者进行基因修改。因此，研究的主导者表示，会采用替代的传导方式来解决问题，比如可变有机电极也许能直接替代金属电极，成为长期稳定且安全的传输装置。

参考资料

Robert F. Service. Sensors may soon give prosthetics a lifelike sense of touch. Science 15 October 2015. DOI: 10.1126/science.aad4722

Polina Anikeeva, Ryan A. Koppes. Restoring the sense of touch. Science 16 October 2015:Vol. 350 no. 6258 pp. 274-275.DOI: 10.1126/science.aad0910

来源：医学界   作者：潘达君