作者｜Britt Young

來(lái)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(shuō)《從地球到月球》（From the Earth to the Moon）中，描寫了一群，南北戰(zhàn)爭(zhēng)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(shù)來(lái)源于生活。在寫作過(guò)程中，凡爾納了解到，在美國(guó)南北戰(zhàn)爭(zhēng)期間發(fā)生了超過(guò) 60,000 例截肢手術(shù)，得益于政府的資助與高新企業(yè)申請(qǐng)的相關(guān)專利，這次內(nèi)戰(zhàn)開(kāi)啟了美國(guó)「現(xiàn)代義肢技術(shù)時(shí)代」。

如果說(shuō)兩次世界大戰(zhàn)鞏固了歐美的營(yíng)利性義肢行業(yè)，那么近二十年的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)，則讓其在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展成為一個(gè)價(jià)值 60 億美元的產(chǎn)業(yè)。

不過(guò)，義肢產(chǎn)業(yè)真正的市場(chǎng)，其實(shí)是民用。

對(duì)比來(lái)看，大約有 1,500 名美國(guó)士兵與 300 名英國(guó)士兵在伊拉克與阿富汗失去肢干，但僅僅在美國(guó)，每年就有 18 萬(wàn)人接受截肢，整個(gè)國(guó)家共有超過(guò) 200 萬(wàn)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(lái)就存在肢體殘疾，其中就包括這篇報(bào)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(shè)計(jì)義肢的人往往是身體健全的工程師而非殘障人士，這些產(chǎn)品搭載著設(shè)計(jì)師們對(duì)于高科技和卓越仿真力的夢(mèng)想，這種對(duì)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(guò)很多市場(chǎng)上最先進(jìn)的假肢裝置，因?yàn)榛加邢忍旒膊?，我是美?guó)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(shè)備，通過(guò)假肢插座內(nèi)的傳感器實(shí)現(xiàn)松弛或收緊。

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

開(kāi)發(fā)者們似乎正陷入了一場(chǎng)「仿生手」的軍備競(jìng)賽：短短十幾年，它已經(jīng)從爪狀結(jié)構(gòu)演變?yōu)槎辔粘值木苋耸址轮破罚畎嘿F的甚至達(dá)到數(shù)萬(wàn)美元。

同樣的，義肢的開(kāi)發(fā)成本也日益高昂，甚至被視為一場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)之舉。

假肢初創(chuàng)公司 Atom Limbs 的首席執(zhí)行官 Tyler Hayes 在籌資視頻中說(shuō)道：「從電的發(fā)明到太空旅行，每一次創(chuàng)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(wàn)美元。

然而在激烈的創(chuàng)新之后，這個(gè)行業(yè)是否真正取得了進(jìn)步？我們需要重回最初的問(wèn)題：對(duì)殘障人士來(lái)說(shuō)，對(duì)于義肢真正的需求是什么？

義肢的「仿真陷阱」

近些年，對(duì)仿生手的研究焦點(diǎn)都集中在如何開(kāi)發(fā)出不同抓握方式上，這讓市場(chǎng)的產(chǎn)品價(jià)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(yōu)雅的方式將信用卡遞給對(duì)面的人，卻無(wú)法幫助人完成一些日常不能再日常的任務(wù)，例如關(guān)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(shí)還需要我的腿和腳的幫助?！笲ritt Young 這樣講述著。

事實(shí)上，當(dāng) Britt 第一次有機(jī)會(huì)與倫敦帝國(guó)理工學(xué)院機(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)者 Ad Spiers 交談時(shí)，雖然當(dāng)時(shí)已近深夜，但他依舊對(duì)仿生手感到十分興奮。

作為當(dāng)下的研究重點(diǎn)，Spiers 說(shuō)，「從當(dāng)今假肢的現(xiàn)實(shí)到科幻作品 / 動(dòng)漫的幻想，擬人化的機(jī)械手是不可避免的。」

在 Spiers 看來(lái)，義肢的開(kāi)發(fā)者太過(guò)于注重形式而不是功能本身?！肝以L問(wèn)的大學(xué)機(jī)器智能系都有至少一種仿真機(jī)器人在開(kāi)發(fā)進(jìn)程當(dāng)中。這就是未來(lái)的樣子，但我們總是會(huì)找到更好的辦法?！?/span>

為了了解殘障人士如何使用他們的設(shè)備，Spiers 開(kāi)啟一項(xiàng)研究，用戴在被試者頭上的相機(jī)，記錄八名單側(cè)截肢、或先天性肢體差異患者的日?；顒?dòng)。

這項(xiàng)研究結(jié)果在去年發(fā)表在 IEEE 上，包括幾種仿生手以及身體動(dòng)力系統(tǒng)，如何利用通過(guò)電纜傳輸?shù)募绮?、胸部和上臂的運(yùn)動(dòng)，在假肢的末端操作機(jī)械機(jī)械夾持器。

在錄像中能看到，即使是富有經(jīng)驗(yàn)的「老手」，也會(huì)在應(yīng)用仿真手的時(shí)候出現(xiàn)笨拙與誤操作的舉動(dòng)。

Atom Limbs 研發(fā)的肌電仿真手臂｜Atom Limbs

實(shí)際上，這項(xiàng)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(fù)雜度更高的義肢設(shè)備相比，使用了非電動(dòng)抓手或簡(jiǎn)易設(shè)備的人完成任務(wù)明顯更快，流暢性也會(huì)更高。

Spiers 與他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，「肌電單握裝置」，以及更高級(jí)的「肌電多關(guān)節(jié)多握肌電動(dòng)手」在使用上幾乎沒(méi)有區(qū)別——除了人們傾向于避免用后者懸掛物體，似乎是因?yàn)楹ε屡獢嗨鼈儭?/span>

Spier 介紹說(shuō)：「我們能夠感覺(jué)到，擁有更昂貴多握肌電手的人對(duì)它們持懷疑態(tài)度?！苟@并不奇怪，因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)格大多超過(guò)了 20,000 美元，難以使用保險(xiǎn)報(bào)銷，又需要頻繁的專業(yè)支持來(lái)改變改變握持模式和其他設(shè)置，整個(gè)維修的過(guò)程既昂貴又耗時(shí)。

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

盡管通過(guò)研究已經(jīng)得出了，「裝置復(fù)雜并非等同于使用有效」的結(jié)論，Spiers 認(rèn)為，如今絕大多數(shù)的義肢研發(fā)機(jī)構(gòu)，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(nèi)容都會(huì)被丟棄掉?！顾f(shuō)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(chǎn)業(yè)最宏大的藍(lán)圖實(shí)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(shí)世界永恒的追求。事實(shí)上，歷史表明，人們并非總是專注于重新完美地創(chuàng)造自己的雙手。

關(guān)于手的觀念已經(jīng)演變了數(shù)個(gè)世紀(jì)，「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(rèn)為「人類被刻意賦予了敏捷的雙手，因?yàn)橹挥形覀儞碛心軌蜢`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(guò)了 1000 多年，亞里士多德的觀點(diǎn)引發(fā)了文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)家和思想家的共鳴。

達(dá)芬奇在這個(gè)基礎(chǔ)上提出：手是大腦與世界保持鏈接的中介。他在對(duì)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(duì)人體解剖學(xué)產(chǎn)生興趣。

時(shí)間推進(jìn)到 18 世紀(jì)中期，隨著全球工業(yè)革命的到來(lái)，一種更加「機(jī)械化」的世界觀開(kāi)始出現(xiàn)，生物和機(jī)器間的界限變得模糊。

斯坦福大學(xué)歷史學(xué)教授杰西卡·里斯金在她 2003 年的文章《十八世紀(jì)事件》中寫道，「18 世紀(jì) 30 年代到 90 年代之間是一個(gè)仿真時(shí)代，機(jī)械師們無(wú)比認(rèn)真地試圖縮小生物和人造物之間的差距?！?/span>

這段時(shí)期，假肢的設(shè)計(jì)發(fā)生了重大變化：16 世紀(jì)的機(jī)械假肢由鐵和彈簧制成而非常沉重，而 18 世紀(jì)的身體動(dòng)力假肢使用了滑輪系統(tǒng)，用以彎曲由輕質(zhì)銅制成的仿真手。

到了 18 世紀(jì)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(yī)研究所的法醫(yī)病理學(xué)家、同樣也是截肢患者沃爾夫·施韋策說(shuō)，20 世紀(jì)初的技術(shù)樂(lè)觀主義帶來(lái)了假肢設(shè)計(jì)的另一次變化。

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

他試過(guò)各類義肢裝置，具備豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。在他看來(lái)，進(jìn)入 21 世紀(jì)，殘障裝置的設(shè)計(jì)正朝著更加正確的方向發(fā)展?！咐?，21 世紀(jì)誕生的身體動(dòng)力開(kāi)口鉤就更加現(xiàn)代化，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)打破了人手傳統(tǒng)的構(gòu)造模式。」

「這種身體動(dòng)力的仿真手臂，依然能夠從中看出 1920 年代工業(yè)社會(huì)的人機(jī)關(guān)系。」施韋策在他的博客中寫道，「當(dāng)時(shí)人類在工業(yè)或農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)線上從事著類似發(fā)條與齒輪的密集勞動(dòng)?！?/span>

而在 20 世紀(jì)最初的身體動(dòng)力開(kāi)口鉤設(shè)計(jì)中，掛鉤內(nèi)的裝置之一用于讓人系鞋帶，另一個(gè)用于裝香煙。 Ad Spiers 說(shuō)，這些設(shè)計(jì)「非常實(shí)用，每個(gè)功能都有特定的用途?！?/span>

施韋策認(rèn)為，隨著當(dāng)代對(duì)密集體力勞動(dòng)的需求減少，功能實(shí)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了「義肢革新計(jì)劃」，這是一項(xiàng)旨在開(kāi)發(fā)具有下一代高仿真假肢手臂的研究。

在這項(xiàng)耗資 1 億美元的計(jì)劃中，科研人員生產(chǎn)出兩種多關(guān)節(jié)假肢（一個(gè)用于研究，另一個(gè)則投入消費(fèi)市場(chǎng)，定價(jià)超過(guò) 50,000 美元）。

更關(guān)鍵的是，這個(gè)項(xiàng)目也影響了類似產(chǎn)品的研發(fā)，將「更仿真」作為了創(chuàng)新的第一要義。在這個(gè)層面來(lái)說(shuō)，如今這種多抓仿生手更體現(xiàn)出一種行業(yè)觀念壟斷。

義肢科技公司 TRS 為人們不同的運(yùn)動(dòng)愛(ài)好制作出各類身體動(dòng)力假肢裝置， 每個(gè)裝置都專門用于特定任務(wù)，并且能夠輕松拆卸以進(jìn)行各種活動(dòng)｜TRS

義肢，需要「心」多于「技」

尚有一些義肢產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)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(shù)不多的運(yùn)動(dòng)專用假肢附件制造商之一，這些產(chǎn)品通常更耐用，而且性價(jià)比更高。產(chǎn)品材質(zhì)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(shù)含量的運(yùn)動(dòng)假肢用戶反饋驚人地好，而花費(fèi)成本僅為仿真仿生手的一小部分。雖然外形一點(diǎn)都不像人類的手，但它們的功能甚至更為優(yōu)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(guò)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(lái)像其他人一樣。 」

由 Arm Dynamics 生產(chǎn)的義肢，配上 Texas Assistive Devices 的配件，殘障人士可以進(jìn)行配重訓(xùn)練，且義肢本身價(jià)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(dòng)、表達(dá)自己，但在數(shù)百年的時(shí)間里，為了追逐更仿真，行業(yè)內(nèi)的目光很少聚焦于我們?cè)谌粘Ｉ钪械恼鎸?shí)需求?！箞?bào)道的原作者 Britt Young 自述。

在這些年大部分的時(shí)間里，義肢科技都高速發(fā)展著。但如果這個(gè)產(chǎn)業(yè)中的不同角色（如醫(yī)療工作者、保險(xiǎn)公司、工程師、設(shè)計(jì)師、科研工作者等等）都始終圍繞著不變的唯一目標(biāo)日復(fù)一日，著幾乎無(wú)法支撐他們生產(chǎn)出真正具備革命性創(chuàng)新的事物。

由此，這場(chǎng)以開(kāi)頭的「登月競(jìng)賽」作比的科技升級(jí)，是否已經(jīng)演變成為一項(xiàng)忘卻了最初使命的任務(wù)——幫助殘障人士，讓其獲得真正實(shí)用的工具。

如今市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些性價(jià)比高、輕盈便攜且技術(shù)難度不高的產(chǎn)品，它們是否需要更多被關(guān)注甚至考慮被投資？畢竟只有穩(wěn)定可持續(xù)的現(xiàn)金流，才能夠持續(xù)進(jìn)行著功能的開(kāi)發(fā)與優(yōu)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(jìng)賽之中抽離，才能夠開(kāi)辟更多、更實(shí)用、更實(shí)惠、更符合殘障人士心中期許的義肢設(shè)計(jì)可能性。