残障人士，到底需要怎样的「机器手」？

作者｜Britt Young

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

 

编译｜Lilyann

编辑｜靖宇

1865年，科幻大家儒勒·凡尔纳在小说《从地球到月球》（From the Earth to the Moon）中，描写了一群，南北战争中的残疾退伍老兵，如何「克服」自身残障，打造一艘火箭飞船的故事。

艺术来源于生活。在写作过程中，凡尔纳了解到，在美国南北战争期间发生了超过 60,000 例截肢手术，得益于政府的资助与高新企业申请的相关专利，这次内战开启了美国「现代义肢技术时代」。

如果说两次世界大战巩固了欧美的营利性义肢行业，那么近二十年的反恐战争，则让其在 全球范围内迅速发展成为一个价值 60 亿美元的产业。

不过，义肢产业真正的市场，其实是民用。

对比来看，大约有 1,500 名美国士兵与 300 名英国士兵在伊拉克与阿富汗失去肢干，但仅仅在美国，每年就有 18 万人接受截肢，整个国家共有超过 200 万人患有残疾。

而更加不幸的是，每年有 1,500 到 4,500 名儿童生下来就存在肢体残疾，其中就包括这篇报道的原作者 Britt Young。

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

如今，设计义肢的人往往是身体健全的工程师而非残障人士，这些产品搭载着设计师们对于高科技和卓越仿真力的梦想，这种对科技的追求，甚至让其忽略了义肢的真正目的——首先要满足使用者的需求。

「我试用过很多市场上最先进的假肢装置，因为患有先天疾病，我是美国首批使用了『肌电假手』的婴儿之一。」Britt Young 写到。

「肌电假手」是一种由佩戴者的肌肉控制的电子设备，通过假肢插座内的传感器实现松弛或收紧。

市场上还存在着各类「假手」，它们共同的特征是，都在努力实现着人手的完美仿真：或以美观为代价，或以功能为代价。

开发者们似乎正陷入了一场「仿生手」的军备竞赛： 短短十几年，它已经从爪状结构演变为多握持的精密人手仿制品，最昂贵的甚至达到数万美元。

同样的，义肢的开发成本也日益高昂，甚至被视为一场高风险之举。

假肢初创公司 Atom Limbs 的首席执行官 Tyler Hayes 在筹资视频中说道：「从电的发明到太空旅行，每一次创新都始于足够的疯狂， Atom Limbs 也不例外。」最终他从投资者那里筹集到了 720 万美元。

然而在激烈的创新之后，这个行业是否真正取得了进步？我们需要重回最初的问题：对残障人士来说，对于义肢真正的需求是什么？

义肢的「仿真陷阱」

近些年，对仿生手的研究焦点都集中在如何开发出不同抓握方式上，这让市场的产品价格水涨船高。

然而，这些看似很了不起的仿生科技，能够帮助残障人士捏握握把，将拇指放在食指上；或以一种优雅的方式将信用卡递给对面的人，却无法帮助人完成一些日常不能再日常的任务，例如关门。

「虽然仿生装置很酷，但显然并不比按照我原本的方式做事更好，有时还需要我的腿和脚的帮助。」Britt Young 这样讲述着。

事实上，当 Britt 第一次有机会与伦敦帝国理工学院机器学习学者 Ad Spiers 交谈时，虽然当时已近深夜，但他依旧对仿生手感到十分兴奋。

作为当下的研究重点，Spiers 说，「 从当今假肢的现实到科幻作品 / 动漫的幻想，拟人化的机械手是不可避免的。 」

在 Spiers 看来， 义肢的开发者太过于注重形式而不是功能本身 。「我访问的大学机器智能系都有至少一种仿真机器人在开发进程当中。这就是未来的样子，但我们总是会找到更好的办法。」

为了了解残障人士如何使用他们的设备，Spiers 开启一项研究，用戴在被试者头上的相机，记录八名单侧截肢、或先天性肢体差异患者的日常活动。

这项研究结果在去年发表在 IEEE 上，包括几种仿生手以及身体动力系统，如何利用通过电缆传输的肩部、胸部和上臂的运动，在假肢的末端操作机械机械夹持器。

在录像中能看到，即使是富有经验的「老手」，也会在应用仿真手的时候出现笨拙与误操作的举动。

Atom Limbs 研发的肌电仿真手臂｜Atom Limbs

实际上，这项研究表明，只有 19% 的被试者在拍摄全程使用了假肢装置， 而在这其中，义肢存在的作用更多是将物体支撑在身体上，以便腾出另一只正常的手处理。

与复杂度更高的义肢设备相比，使用了非电动抓手或简易设备的人完成任务明显更快，流畅性也会更高。

Spiers 与他的团队发现，「肌电单握装置」，以及更高级的「肌电多关节多握肌电动手」在使用上几乎没有区别——除了人们倾向于避免用后者悬挂物体，似乎是因为害怕弄断它们。

Spier 介绍说：「我们能够感觉到，拥有更昂贵多握肌电手的人对它们持怀疑态度。」而这并不奇怪， 因为它们的价格大多超过了 20,000 美元，难以使用保险报销 ，又需要频繁的专业支持来改变改变握持模式和其他设置，整个维修的过程既昂贵又耗时。

虽然一些初创公司正在尝试新的商业化手段——「订阅模式」——让消费者能够可持续性地进行有偿维修......而理想情况下，以上这些流程都应该更加轻松灵活。

尽管通过研究已经得出了，「装置复杂并非等同于使用有效」的结论，Spiers 认为， 如今绝大多数的义肢研发机构，依旧专注在改造昂贵的高科技仿生手的抓握模式 。

「任何与抓握不挨边的内容都会被丢弃掉。」他说道。

「手」的演变

如果我们确信是我们的双手印证了我们的人类身份，让手部更为与众不同的是它的抓握能力，那么义肢产业最宏大的蓝图实际就依附于我们的腕部。

然而，追求更极致的抓握力并，不总是真实世界永恒的追求。事实上，历史表明，人们并非总是专注于重新完美地创造自己的双手。

关于手的观念已经演变了数个世纪，「手是操纵工具的工具。」亚里士多德也在《灵魂论》书中描写着，他认为「人类被刻意赋予了敏捷的双手，因为只有我们拥有能够灵活使用它的智能大脑。」

手不仅仅是一种器具， 而是一种理解或「把握」世界的工具 ，这不仅仅是字面含义。

过了 1000 多年，亚里士多德的观点引发了文艺复兴时期的艺术家和思想家的共鸣。

达芬奇在这个基础上提出： 手是大脑与世界保持链接的中介 。他在对人手的解剖和插图中不遗余力地研究其主要组成部分，这使得更多人对人体解剖学产生兴趣。

时间推进到 18 世纪中期，随着全球工业革命的到来，一种更加「机械化」的世界观开始出现，生物和机器间的界限变得模糊。

斯坦福大学历史学教授杰西卡·里斯金在她 2003 年的文章《十八世纪事件》中写道，「18 世纪 30 年代到 90 年代之间是一个仿真时代，机械师们无比认真地试图缩小生物和人造物之间的差距。」

这段时期，假肢的设计发生了重大变化： 16 世纪的机械假肢由铁和弹簧制成而非常沉重，而 18 世纪的身体动力假肢使用了滑轮系统，用以弯曲由轻质铜制成的仿真手。

到了 18 世纪后期，金属逐渐被皮革、羊皮纸和软木所取代——这些更柔软的材料更加贴近日常生活所需。

苏黎世法医研究所的法医病理学家、同样也是截肢患者沃尔夫·施韦策说，20 世纪初的技术乐观主义带来了假肢设计的另一次变化。

Hosmer Hook （左图）最初设计于 1920 年，采用人体动力设计的终端设备，至今仍在使用。 将钉子钉入木头时，利用锤子工具（右图）往往比抓握工具更有效果｜Getty Images

他试过各类义肢装置，具备丰富的使用经验。在他看来，进入 21 世纪，残障装置的设计正朝着更加正确的方向发展。「例如， 21 世纪诞生的身体动力开口钩就更加现代化，因为它的设计打破了人手传统的构造模式。 」

「这种身体动力的仿真手臂，依然能够从中看出 1920 年代工业社会的人机关系。」施韦策在他的博客中写道，「当时人类在工业或农业的生产线上从事着类似发条与齿轮的密集劳动。」

而在 20 世纪最初的身体动力开口钩设计中，挂钩内的装置之一用于让人系鞋带，另一个用于装香烟。 Ad Spiers 说，这些设计「非常实用，每个功能都有特定的用途。」

施韦策认为， 随着当代对密集体力劳动的需求减少，功能实用但不够仿真的装置逐渐被新高科技愿景下更加昂贵、但更仿真美观的义肢所取代。

2006 年，美国国防高级研究计划局启动了「义肢革新计划」，这是一项旨在开发具有下一代高仿真假肢手臂的研究。

在这项耗资 1 亿美元的计划中，科研人员生产出两种多关节假肢（一个用于研究，另一个则投入消费市场，定价超过 50,000 美元）。

更关键的是，这个项目也影响了类似产品的研发， 将「更仿真」作为了创新的第一要义。在这个层面来说，如今这种多抓仿生手更体现出一种行业观念垄断 。

义肢科技公司 TRS 为人们不同的运动爱好制作出各类身体动力假肢装置， 每个装置都专门用于特定任务，并且能够轻松拆卸以进行各种活动｜TRS

义肢，需要「心」多于「技」

尚有一些义肢产品的开发者正在追求不同的愿景。

总部位于科罗拉多州博尔德的 TRS 是为数不多的运动专用假肢附件制造商之一，这些产品通常更耐用，而且性价比更高。产品材质上多是使用塑料和硅胶附件，比如， 用于俯卧撑的柔软蘑菇形装置、用于举重的棘轮夹和用于游泳的凹形鳍等。

这种低技术含量的运动假肢用户反馈惊人地好，而花费成本仅为仿真仿生手的一小部分。虽然外形一点都不像人类的手，但它们的功能甚至更为优越。

精密的仿生手试图残障人士回归「完整」，让其重回能够使用双手「掌握」的世界。 但相比之下，更重要的是，「 能够过上我们想要的生活，获得我们需要的工具，而不是让我们看起来像其他人一样。 」

由 Arm Dynamics 生产的义肢，配上 Texas Assistive Devices 的配件，残障人士可以进行配重训练，且义肢本身价格低廉｜GABRIELA HASBUN IEEE

虽然也有很多人使用仿生手重新与世界互动、表达自己，但在数百年的时间里，为了追逐更仿真，行业内的目光很少聚焦于我们在日常生活中的真实需求。」报道的原作者 Britt Young 自述。

在这些年大部分的时间里，义肢科技都高速发展着。但如果这个产业中的不同角色（如医疗工作者、保险公司、工程师、设计师、科研工作者等等）都始终围绕着不变的唯一目标日复一日，着几乎无法支撑他们生产出真正具备革命性创新的事物。

由此，这场以开头的「登月竞赛」作比的科技升级，是否已经演变成为一项忘却了最初使命的任务——帮助残障人士，让其获得真正实用的工具。

如今市场上出现了一些性价比高、轻盈便携且技术难度不高的产品，它们是否需要更多被关注甚至考虑被投资？毕竟只有稳定可持续的现金流，才能够持续进行着功能的开发与优化。

而从中我们感悟到的核心要义也许就是， 只有从追逐高仿真的科技竞赛之中抽离，才能够开辟更多、更实用、更实惠、更符合残障人士心中期许的义肢设计可能性。