殘障人士,到底需要怎樣的「機器手」?

摘要

相比于高精尖科技,真正的義肢用戶,可能只需要一個「錘子」。

作者|Britt Young

來源|https://spectrum.ieee.org/bionic-hand-design

 

編譯|Lilyann

編輯|靖宇

1865年,科幻大家儒勒·凡爾納在小說《從地球到月球》(From the Earth to the Moon)中,描寫了一群,南北戰爭中的殘疾退伍老兵,如何「克服」自身殘障,打造一艘火箭飛船的故事。

藝術來源于生活。在寫作過程中,凡爾納了解到,在美國南北戰爭期間發生了超過 60,000 例截肢手術,得益于政府的資助與高新企業申請的相關專利,這次內戰開啟了美國「現代義肢技術時代」。

如果說兩次世界大戰鞏固了歐美的營利性義肢行業,那么近二十年的反恐戰爭,則讓其在全球范圍內迅速發展成為一個價值 60 億美元的產業。

不過,義肢產業真正的市場,其實是民用。

對比來看,大約有 1,500 名美國士兵與 300 名英國士兵在伊拉克與阿富汗失去肢干,但僅僅在美國,每年就有 18 萬人接受截肢,整個國家共有超過 200 萬人患有殘疾。

而更加不幸的是,每年有 1,500 到 4,500 名兒童生下來就存在肢體殘疾,其中就包括這篇報道的原作者 Britt Young。

原作者 Britt Young 與她的 Ottobock iLimb 仿生手臂|GABRIELA HASBUN IEEE

如今,設計義肢的人往往是身體健全的工程師而非殘障人士,這些產品搭載著設計師們對于高科技和卓越仿真力的夢想,這種對科技的追求,甚至讓其忽略了義肢的真正目的——首先要滿足使用者的需求。

「我試用過很多市場上最先進的假肢裝置,因為患有先天疾病,我是美國首批使用了『肌電假手』的嬰兒之一?!笲ritt Young 寫到。

「肌電假手」是一種由佩戴者的肌肉控制的電子設備,通過假肢插座內的傳感器實現松弛或收緊。

市場上還存在著各類「假手」,它們共同的特征是,都在努力實現著人手的完美仿真:或以美觀為代價,或以功能為代價。

開發者們似乎正陷入了一場「仿生手」的軍備競賽:短短十幾年,它已經從爪狀結構演變為多握持的精密人手仿制品,最昂貴的甚至達到數萬美元。

同樣的,義肢的開發成本也日益高昂,甚至被視為一場高風險之舉。

假肢初創公司 Atom Limbs 的首席執行官 Tyler Hayes 在籌資視頻中說道:「從電的發明到太空旅行,每一次創新都始于足夠的瘋狂, Atom Limbs 也不例外?!棺罱K他從投資者那里籌集到了 720 萬美元。

然而在激烈的創新之后,這個行業是否真正取得了進步?我們需要重回最初的問題:對殘障人士來說,對于義肢真正的需求是什么?

義肢的「仿真陷阱」

近些年,對仿生手的研究焦點都集中在如何開發出不同抓握方式上,這讓市場的產品價格水漲船高。

然而,這些看似很了不起的仿生科技,能夠幫助殘障人士捏握握把,將拇指放在食指上;或以一種優雅的方式將信用卡遞給對面的人,卻無法幫助人完成一些日常不能再日常的任務,例如關門。

「雖然仿生裝置很酷,但顯然并不比按照我原本的方式做事更好,有時還需要我的腿和腳的幫助?!笲ritt Young 這樣講述著。

事實上,當 Britt 第一次有機會與倫敦帝國理工學院機器學習學者 Ad Spiers 交談時,雖然當時已近深夜,但他依舊對仿生手感到十分興奮。

作為當下的研究重點,Spiers 說,「從當今假肢的現實到科幻作品 / 動漫的幻想,擬人化的機械手是不可避免的。

在 Spiers 看來,義肢的開發者太過于注重形式而不是功能本身?!肝以L問的大學機器智能系都有至少一種仿真機器人在開發進程當中。這就是未來的樣子,但我們總是會找到更好的辦法?!?/span>

為了了解殘障人士如何使用他們的設備,Spiers 開啟一項研究,用戴在被試者頭上的相機,記錄八名單側截肢、或先天性肢體差異患者的日?;顒?。

這項研究結果在去年發表在 IEEE 上,包括幾種仿生手以及身體動力系統,如何利用通過電纜傳輸的肩部、胸部和上臂的運動,在假肢的末端操作機械機械夾持器。

在錄像中能看到,即使是富有經驗的「老手」,也會在應用仿真手的時候出現笨拙與誤操作的舉動。

Atom Limbs 研發的肌電仿真手臂|Atom Limbs

實際上,這項研究表明,只有 19% 的被試者在拍攝全程使用了假肢裝置,而在這其中,義肢存在的作用更多是將物體支撐在身體上,以便騰出另一只正常的手處理。

與復雜度更高的義肢設備相比,使用了非電動抓手或簡易設備的人完成任務明顯更快,流暢性也會更高。

Spiers 與他的團隊發現,「肌電單握裝置」,以及更高級的「肌電多關節多握肌電動手」在使用上幾乎沒有區別——除了人們傾向于避免用后者懸掛物體,似乎是因為害怕弄斷它們。

Spier 介紹說:「我們能夠感覺到,擁有更昂貴多握肌電手的人對它們持懷疑態度?!苟@并不奇怪,因為它們的價格大多超過了 20,000 美元,難以使用保險報銷,又需要頻繁的專業支持來改變改變握持模式和其他設置,整個維修的過程既昂貴又耗時。

雖然一些初創公司正在嘗試新的商業化手段——「訂閱模式」——讓消費者能夠可持續性地進行有償維修......而理想情況下,以上這些流程都應該更加輕松靈活。

盡管通過研究已經得出了,「裝置復雜并非等同于使用有效」的結論,Spiers 認為,如今絕大多數的義肢研發機構,依舊專注在改造昂貴的高科技仿生手的抓握模式。

「任何與抓握不挨邊的內容都會被丟棄掉?!顾f道。

「手」的演變

如果我們確信是我們的雙手印證了我們的人類身份,讓手部更為與眾不同的是它的抓握能力,那么義肢產業最宏大的藍圖實際就依附于我們的腕部。

然而,追求更極致的抓握力并,不總是真實世界永恒的追求。事實上,歷史表明,人們并非總是專注于重新完美地創造自己的雙手。

關于手的觀念已經演變了數個世紀,「手是操縱工具的工具?!箒喞锸慷嗟乱苍凇鹅`魂論》書中描寫著,他認為「人類被刻意賦予了敏捷的雙手,因為只有我們擁有能夠靈活使用它的智能大腦?!?/span>

手不僅僅是一種器具,而是一種理解或「把握」世界的工具,這不僅僅是字面含義。

過了 1000 多年,亞里士多德的觀點引發了文藝復興時期的藝術家和思想家的共鳴。

達芬奇在這個基礎上提出:手是大腦與世界保持鏈接的中介。他在對人手的解剖和插圖中不遺余力地研究其主要組成部分,這使得更多人對人體解剖學產生興趣。

時間推進到 18 世紀中期,隨著全球工業革命的到來,一種更加「機械化」的世界觀開始出現,生物和機器間的界限變得模糊。

斯坦福大學歷史學教授杰西卡·里斯金在她 2003 年的文章《十八世紀事件》中寫道,「18 世紀 30 年代到 90 年代之間是一個仿真時代,機械師們無比認真地試圖縮小生物和人造物之間的差距?!?/span>

這段時期,假肢的設計發生了重大變化:16 世紀的機械假肢由鐵和彈簧制成而非常沉重,而 18 世紀的身體動力假肢使用了滑輪系統,用以彎曲由輕質銅制成的仿真手。

到了 18 世紀后期,金屬逐漸被皮革、羊皮紙和軟木所取代——這些更柔軟的材料更加貼近日常生活所需。

蘇黎世法醫研究所的法醫病理學家、同樣也是截肢患者沃爾夫·施韋策說,20 世紀初的技術樂觀主義帶來了假肢設計的另一次變化。

Hosmer Hook (左圖)最初設計于 1920 年,采用人體動力設計的終端設備,至今仍在使用。 將釘子釘入木頭時,利用錘子工具(右圖)往往比抓握工具更有效果|Getty Images

他試過各類義肢裝置,具備豐富的使用經驗。在他看來,進入 21 世紀,殘障裝置的設計正朝著更加正確的方向發展?!咐?,21 世紀誕生的身體動力開口鉤就更加現代化,因為它的設計打破了人手傳統的構造模式。

「這種身體動力的仿真手臂,依然能夠從中看出 1920 年代工業社會的人機關系?!故╉f策在他的博客中寫道,「當時人類在工業或農業的生產線上從事著類似發條與齒輪的密集勞動?!?/span>

而在 20 世紀最初的身體動力開口鉤設計中,掛鉤內的裝置之一用于讓人系鞋帶,另一個用于裝香煙。 Ad Spiers 說,這些設計「非常實用,每個功能都有特定的用途?!?/span>

施韋策認為,隨著當代對密集體力勞動的需求減少,功能實用但不夠仿真的裝置逐漸被新高科技愿景下更加昂貴、但更仿真美觀的義肢所取代。

2006 年,美國國防高級研究計劃局啟動了「義肢革新計劃」,這是一項旨在開發具有下一代高仿真假肢手臂的研究。

在這項耗資 1 億美元的計劃中,科研人員生產出兩種多關節假肢(一個用于研究,另一個則投入消費市場,定價超過 50,000 美元)。

更關鍵的是,這個項目也影響了類似產品的研發,將「更仿真」作為了創新的第一要義。在這個層面來說,如今這種多抓仿生手更體現出一種行業觀念壟斷。

義肢科技公司 TRS 為人們不同的運動愛好制作出各類身體動力假肢裝置, 每個裝置都專門用于特定任務,并且能夠輕松拆卸以進行各種活動|TRS

義肢,需要「心」多于「技」

尚有一些義肢產品的開發者正在追求不同的愿景。

總部位于科羅拉多州博爾德的 TRS 是為數不多的運動專用假肢附件制造商之一,這些產品通常更耐用,而且性價比更高。產品材質上多是使用塑料和硅膠附件,比如,用于俯臥撐的柔軟蘑菇形裝置、用于舉重的棘輪夾和用于游泳的凹形鰭等。

這種低技術含量的運動假肢用戶反饋驚人地好,而花費成本僅為仿真仿生手的一小部分。雖然外形一點都不像人類的手,但它們的功能甚至更為優越。

精密的仿生手試圖殘障人士回歸「完整」,讓其重回能夠使用雙手「掌握」的世界。 但相比之下,更重要的是,「能夠過上我們想要的生活,獲得我們需要的工具,而不是讓我們看起來像其他人一樣。

由 Arm Dynamics 生產的義肢,配上 Texas Assistive Devices 的配件,殘障人士可以進行配重訓練,且義肢本身價格低廉|GABRIELA HASBUN IEEE

雖然也有很多人使用仿生手重新與世界互動、表達自己,但在數百年的時間里,為了追逐更仿真,行業內的目光很少聚焦于我們在日常生活中的真實需求?!箞蟮赖脑髡?Britt Young 自述。

在這些年大部分的時間里,義肢科技都高速發展著。但如果這個產業中的不同角色(如醫療工作者、保險公司、工程師、設計師、科研工作者等等)都始終圍繞著不變的唯一目標日復一日,著幾乎無法支撐他們生產出真正具備革命性創新的事物。

由此,這場以開頭的「登月競賽」作比的科技升級,是否已經演變成為一項忘卻了最初使命的任務——幫助殘障人士,讓其獲得真正實用的工具。

如今市場上出現了一些性價比高、輕盈便攜且技術難度不高的產品,它們是否需要更多被關注甚至考慮被投資?畢竟只有穩定可持續的現金流,才能夠持續進行著功能的開發與優化。

而從中我們感悟到的核心要義也許就是,只有從追逐高仿真的科技競賽之中抽離,才能夠開辟更多、更實用、更實惠、更符合殘障人士心中期許的義肢設計可能性。

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