出品：科普中国
作者：胡旭晖（中国科学院苏州生物医学工程技术研究所）
监制：中国科普博览
清晨闹钟响起，你关掉闹铃、起床、刷牙、系鞋带、准备出门……这是绝大多数人每天都会面对的场景，如果你足够细心，可能会发现，这一切活动的基础都是人们对双手的灵活使用。在实际生活中手的功能远不止于此，它还会辅助我们更准确地表达，甚至成为一种文化的符号。
但这些对大多数人来说都是稀松平常的动作，对于另一些人来说，却无比艰难，甚至是不可能完成的任务——他们就是手部残疾的残障人士。一场疾病或意外，或者根本就是先天的因素，都可能会让他们的手出现问题，无法正常使用。面对这种情况，人们总是用各种手段帮助他们，其中对他们帮助最大的可能要数假肢了。
今天是全国“肢残人活动日”，让我们来聊聊现代科技都能为截肢者做些什么。
（图片来源：veer图库）
一、假肢手技术的演进
如果我们将上肢假肢以功能的多寡作为划分标准，功能最单一、同时也是价格最友好的应当是装饰性假肢。它通常由硅胶制成，有着良好的观感和触感，但就如它的名称一样，一切也就仅限于此。
（装饰性假肢手 图片来源：veer图库）
目前更为实用的一类主流假肢是索控假肢手。它通常以捆绑用户肩部的形式穿戴，绑缚于用户肩部的背带一路延伸至假肢的指关节，使用者通过对侧肩胛骨的运动控制牵引绳的松紧，从而实现抓握。但随之而来的是穿戴的繁琐、运动摩擦的疼痛，以及为了适应反直觉的操作方式而必须进行的大量练习等等。
索控假肢手控制原理
图片来源：参考文献【1】
如果我们用横轴来表示易用性，竖轴来表示功能性，我们将会看到，装饰性假肢、索控假肢和正常肢体相比依然具有很大差距。如果我们想要创造出一种新的假肢类型，让它在功能和易用性上尽可能接近原本的肢体，这就需要假肢既能够按照符合用户直觉的方式被控制，同时具有更丰富的运动属性。为了实现这一点，或许要先了解我们是如何控制四肢的，以求线索。
装饰性假肢和索控假肢的功能性、易用性分布
（图片来源：作者自制）
二、人是如何控制原生肢体的运动？
人体内信息传递媒介的基本单位是神经元，通过树突接受上游神经递质影响，进入兴奋状态后，包膜上的钠离子通道开启，带有正电荷的钠离子大量涌入，其中一部分被推向电势更低的轴突部位。受钠离子刺激，轴突上的钠离子通道依次打开，直至轴突终末。轴突终末的钙离子与蛋白质结合，释放囊泡中的神经递质，被释放的神经递质影响下游靶细胞。
运动神经信号传导过程
（图片来源：参考文献【1】）
如果以膜电位的变化为视角将这一过程简化为图表，它大致是这样：
单个运动单元的动作电位波形
（图片来源：参考文献【1】）
这一有着特殊波形的跨膜电位搏动，被称为动作电位。虽然由于轴突结构和神经元的长度差异，传递过程中并不完全雷同，但我们大体上，可以将我们的神经系统视为这样的一条信息高速公路：信号由大脑发出，经由脊髓传递至周围神经系统，并最终控制相应骨骼肌的收缩，完成对应动作。而肢体残缺，意味着大脑依旧在发出信号，神经依旧传递信号，肌肉依旧在收缩，但对应的接收端已经离线。
三、截肢者如何控制假肢运动？
了解到这里，事情似乎有了一些眉目。这时可能有聪明的小伙伴就问了，既然信号由大脑产生，那直接将脑电信号采集设备植入大脑读取信息，再转换成机器指令交由假肢执行不就可以吗？但实际上这一过程说起来简单，要实现却极为困难——这也就是目前最前沿的脑机接口技术正在研究的内容。
脑机接口技术（图片来源：veer图库）
这一技术涉及到的问题首先是要将脑电信号采集设备植入大脑就需要进行侵入式脑机接口手术，这种手术的潜在伤害、生理排斥风险巨大，且还存在许多伦理上的问题（比如关于个人隐私等）；其次是信号采集和解码技术目前还很不成熟，如何正确识别脑电信号，如何解码这些信号？都是未能解决的难题；此外，即使是采集设备成功植入后，也会逐渐被胶质细胞包裹，这将严重影响到信号采集的精度，并且要解决这一问题只能依靠再次开颅。因此，就当下而言，侵入式脑机接口还处于技术的理论研究和试验阶段。它离我们生活的距离，并不比火星移民更近。
虽然基于脑电图和经颅磁刺激的非侵入式脑机接口已经出现，但即便不考虑便携性，以非侵入的方式在人体的中央处理器附近寻找局部肢体信号，也会像浙江大学许科帝教授所说，犹如在合唱团的唱段中寻找特定歌者的声音。
不过，虽然在脑部识别肢体信号很难，但这并不意味着不可能。随着信号从大脑传出，指向局部肢体的动作电位与其他信号分道扬镳，最终抵达肌肉接头，并沿着肌纤维向两边发散。对于上体假肢来说，这里信号的垂直度会高得多。并且肌肉纤维上的动作电位也会沿着脂肪等皮下组织，蔓延至皮肤表面。这带来了一个好消息，那就是不通过侵入的方式，在皮肤表面也能采集到与运动意图相关的生理电信号。又因为这些信号来源于肌肉，所以它被称为表面肌电信号[3]。
信号已经有了，听起来我们只需要将截肢者残肢处的表面肌电信号进行解码并转化为对应机械指令让假肢执行就好。但是，表面肌电信号的解码也不是一件容易的事情。
肌电信号产生原理
（图片来源：参考文献【1】）
四、如何解码残肢的肌电信号？
为了能够更好地理解科学家是如何解码肌电信号中蕴含的动作意图，让我们先举一个更为简单的例子。
假如图中的三维模型特征代表了一段声音信号，我们的任务是分析它使用了哪些乐器，显然这让人毫无头绪。即便这张图的信息已经足够丰富，时间、频率、响度三类关键信息尽收眼底，但对于区分乐器种类依然无能为力。
声音信号关于时间、频率、响度的三维模型图
（图片来源：参考文献【1】）
如果我们换一个角度来看这个模型，此时横轴为频率，纵轴为响度。我们能够得到这首歌在某一瞬间的频响曲线，这一曲线是该时刻各个乐器频响曲线的线性叠加。换句话说如果我们能够熟知不同乐器的频响曲线模型，我们就能据此得出这一瞬间包含了哪些乐器。当然，实际上我们每个人也确实熟知它们（但不是以音频波形的方式），这是因为我们的大脑中已经存储了大量这类模型，并且从中成功提取了模型特征。这也是为什么即便电吉他的失真、过载等效果变化万千，我们依旧能通过听觉分辨出它来。
肌电信号和对应运动单元动作电位的组成情况
（图片来源：参考文献【1】）
现在我们再来看这幅肌电信号图，虽然同样头皮发麻，但似乎有一些头绪了。我们已经知道了它是多个运动单元肌电信号的线性叠加，所以如果我们能够得到这些运动单元的肌电信号模型并提取特征，就能反求出这段这段混合信号蕴含的动作意图，从而予以执行。但目前并没有办法获取足够多的模型。这个问题在理论上并不是无解的，许多从业者都为之努力，目前较为主流的技术路径，是基于独立分析法的盲源分离。这听起来很晦涩，所以让我们再次回到这首音乐。假设我们现在并不知道关于摇滚乐及其乐器的任何常识，这意味着我们很难辨别哪些声音是来自同一乐器。比如贝斯的高音部分和吉他的低音部分就有可能会被当作来自同一乐器。
那我们该如何分辨？答案是多听。
打开音乐软件多听这个乐队的歌，将不同段落进行对照。同时你还需要拿到同期声录制时，不同乐器前方采集到的混合音频信号。这样一来通过音色的大致分类，再结合不同麦克风所采集乐器音频的距离信息，你就能够准确地分辨出哪些声音是来自那些乐器。基于独立分析的盲源分离也是大致如此，不同位置麦克风采集到的都是这些乐器信号不同权重的线性叠加，这些权重组成一个矩阵。只要麦克风数量大于或等于乐器种类数量，通过不断迭代得到尽可能真实的矩阵，就能通过求解矩阵方程，将这些未知乐器的混合信号像之前那样拆解。
盲源分离在音乐分离、人机语音交互等方面都有应用，技术路径有了，在音频领域也有了较为成熟的商业应用，一切都看起来很美，不是吗？但在音乐的例子中我们讲到了一个前提，那就是不同位置的麦克风数量要大于等于乐器种类的数量。这句话转化一下，信号采集器的数量要大于源信号的数量，而采集器的相对数量越少，得到的结果越模糊。这在源信号数量较少的音频领域通常容易达成，但对于人体，仅肘部以下，作为源信号的运动单元数量就已然上千。要想将数量匹配的采集器放进一台假肢，完全不现实。
所以该怎么办？答案可以是妥协，目前最常见的第三类假肢手——肌电假肢手就是这么做的。其通过两枚肌电传感器收集屈肌侧和伸肌侧的表面肌电信号，并对采集到的肌电信号进行包络分析，将横轴下方曲线翻折，再提取低频特征。如此一来，就足以识别手腕内翻、手腕外翻、抓握这三种手势了。基于此，再将各种生活常用手势预设在假肢里，使用时根据场景来回切换。就像我们在音乐 App 里那样，上一首、下一首、播放。虽然控制依然不够直观，但相比于索控假肢，肌电假肢为多手势的灵巧操作提供了可能。
现有商业化肌电假肢手控制原理
（图片来源：参考文献【1】）
截至目前我们粗略地介绍了上肢假肢手市场上的产品，那么现阶段有什么遗憾吗？有的。比如一旦截肢部位上升至大臂这套方案就不再适配；再比如智能仿生手依旧无法像真正的手一样感知温度、力度、位置等。
另外，在实际应用中根据肌电信号识别手势依旧存在着它的问题。比如肢体运动和接受腔对皮肤的挤压可能在肌电信号上产生运动伪迹，这是因为电信号要通过皮下组织才能传播至皮肤表面，而挤压会改变皮下组织的形态。这就像声音在传播中突然改变了介质，这会导致电信号变形，从而使得分析更加困难。但这确实就是当下商用肌电控制假肢的现状。
五、哪种假肢手是当下截肢者更好的选择？
到目前为止，我们介绍了目前市面上最多的三款假肢手，包括装饰性假肢手、索控式假肢手假肢，以及肌电假肢手。那目前来说肌电假肢一定优于牵引式假肢吗？肌电假肢能实现更多的手势，来应对不同的场景。所以可以说它在技术上是更具优势的。但我们到目前还没有谈论其作为一个商品的重要属性，那就是肌电假肢的价格。
由于假肢目前还需要针对个体进行高度定制，所需人工和物料制作成本的叠加使牵引式假肢的价格来到千元。而肌电假肢的研发成本更高。显然相较于大众消费品，上肢肌电假肢想通过规模化来压低成本难度要大得多。目前国外先进的肌电假肢手来到国内的平均价格大约是 20-30 万人民币，在部分区域的渠道价格可能会超过50万。而在极端状况下，你甚至可能会收到70万的报价，国内品牌的销售渠道管理优势的确明显，售价大约是这个数字的 1/5 。但显然依旧谈不上便宜。实际上人当失去手臂，其劳动能力便受到了极大影响，因此前臂截肢者的实际人均可支配收入很低。但更贵、技术更先进的假肢也并不能很好补足用户缺失的劳动力。
在一篇名为《上肢假肢废弃的关键因素》的论文中，Elaine Biddiss 博士指出[7]，有大约 20% 的用户在两年内弃用了上肢假肢。而在另一篇主要针对挪威肢体残缺人群的论文中，Kristin Østlie博士在给出相近数据的同时进一步补充到，由于「穿戴」即会被视为「使用」，在统计人群中还有相当一部分残疾人仅将假肢作为装饰用，因此假肢的功能性使用率实际上要更低。
因此，如果经济条件受限，或肌电信号较微弱，索控假肢依然能很好地辅助截肢者的日常生活所需。如果对美观性、功能性有更高要求，并且残肢肌电信号满足假肢控制要求，则更推荐肌电假肢手。如果更在意肢体外观的自然完整性，那么美容手更逼真的外观在当下依然值得考虑。
当然，科学的不断发展和科技的不断进步，一定会为残障人士带来更多的便利，让他们拥有多元的未来。
