楓月

這是一個最缺乏了解的世界

一只仿生手臂怎樣實現(xiàn)觸覺？觸覺產(chǎn)生的原理是什么？人們研究觸覺能做什么？

美國克利夫蘭。二月的一天。48歲的伊戈爾·斯派提克在用他的新手臂去感知一個不存在的小球。他6年前在一次工業(yè)事故中不幸失去了右手前部，如今多虧了仿生手臂，讓他重新找回了——觸覺。

神經(jīng)傳感仿生手臂讓人再次恢復(fù)觸覺

俄亥俄州凱斯西儲大學(xué)的達斯汀·泰勒教授是克利夫蘭退伍軍人管理醫(yī)院的醫(yī)生，同時他也是仿生手臂項目的首席研究者，“4年前我們的團隊為斯派提克做了一個外科手術(shù)，在他的截肢斷面上為他按上了一個半透明的接口，這個接口直接與斯派提克的手臂神經(jīng)回路相連接。在這基礎(chǔ)上，我們?yōu)樗ㄖ屏艘粋€有個手指關(guān)節(jié)，肉色橡膠表面材質(zhì)，能夠靈活彎曲關(guān)節(jié)的仿生手臂。這樣，這個仿生手臂可以直接與斯派提克的手臂相連接，也就是直接和斯派提克的大腦相連?！?/p>

這個定制的仿生手臂里有19個壓力傳感器，斯派提克的手臂里也植入了3個電極。當(dāng)壓力傳感器在感受到外界的信號時，通過手臂內(nèi)的電腦芯片，將電流信號轉(zhuǎn)化為電波，這些電波會被斯派提克手臂中的3個電極所接收，最后被手臂的神經(jīng)回路所識別。

“觸覺是我們與周圍事物互動的一種方式。我們的目標(biāo)不僅僅是恢復(fù)觸覺功能，而是讓患者重新與世界建立聯(lián)系。這是一個漫長的過程，要恢復(fù)手上多個點的感覺，有幾十、幾百或許更多。我們需要重新激活大腦產(chǎn)生觸覺的區(qū)域，而一旦失去了手的輸入，接通這些區(qū)域的轉(zhuǎn)換點也就喪失了?！?泰勒教授說道。現(xiàn)在，斯派提克在仿生手臂的幫助下，他的大腦會感到“我的手臂還在那里！”

“我們目前并沒有完全掌握壓力神經(jīng)傳感技術(shù)，因為傳感器壓力的靈敏度是目前科技的障礙?！?泰勒教授說道，“正常人對于冷，熱，質(zhì)地的觸感很靈敏，因為不同觸感的壓力傳感極其細微，而且傳感時間都是在微秒之內(nèi)。例如我們通過觸摸物體表面，就能夠知道我們摸的是什么材質(zhì)，是綢緞還是砂紙;但是像擠牙膏，刷鍋等那種微妙的感覺我們都還無法做到?！痹搨鞲衅鞅旧聿⒉荒芫_地辨別材質(zhì)，他們只能察覺到壓力。不同的信號模式通過電極傳遞，被大腦識別為不同的刺激。泰勒教授認為，“每個人在生活經(jīng)歷中會創(chuàng)建一個自己的感覺地圖，這使他們能夠?qū)σ粋€給定的感覺進行相關(guān)輸入。我不認為我們給的刺激能準確地擊中地圖上的點，但他們能使大腦足夠熟悉并識別它是什么?！?/p>

泰勒教授還認為，除了假手，該技術(shù)還能用來幫助那些使用假腿的患者從地面接收輸入，并使他們適應(yīng)碎石和不平整的路面。此外，這種神經(jīng)接口和新的刺激術(shù)在控制震動和深部腦刺激等方面也同樣大有用途。目前，這個模式仍在不斷調(diào)整，而斯派提克也在為仿生手臂的改進而努力。

其實，斯派提克通過仿生手臂現(xiàn)在已經(jīng)能夠感受到一些微妙的觸覺了?！拔业姆律直圩畲竽軌虍a(chǎn)生40磅的壓力，所以握雞蛋——就成了我每天的訓(xùn)練項目，以前我必須通過眼睛看到的來控制手臂，現(xiàn)在我能夠通過觸覺去完成握雞蛋了！”傳遞觸覺到大腦的神經(jīng)，被7毫米的“電極套”上的接觸點刺激，“電極套”會將觸感發(fā)給正確的神經(jīng)。當(dāng)假肢的相應(yīng)位置觸碰物體時，斯派提克就能感覺到他的手和手指被觸碰，并且能感覺到從粗砂紙到光滑的金屬等各種材質(zhì)。當(dāng)一名研究人員用棉球擦拭斯派提克的假肢背面時，他立刻察覺到了“那是棉花。”斯派提克的工作非常具有挑戰(zhàn)性，作為瑞典北部的一名卡車司機，通過仿生手臂的觸感，他經(jīng)歷了很多截肢后沒有過的經(jīng)歷——從夾緊裝載拖車的鎖、取雞蛋、到幫孩子系鞋帶，至少現(xiàn)在的生活環(huán)境，他都能一一應(yīng)對。

觸覺的研究還有更多的未知

泰勒教授說道，“觸覺并不是感覺的單向傳遞，而是觸覺信號的雙向交互行為、傳遞與接收?！睘榇怂古商峥诉€被要求將仿生手臂脫掉，將自己的手臂直接連在電腦上進行模擬練習(xí)?！斑@就像是憑空讓我移動我的手臂，甚至去觸摸一些不存在的東西?！?當(dāng)然這些都是電腦通過斯派提克手臂上的電極模擬出來的電波，“我能感覺到我的拇指和我的食指了！”斯派提克驚呼道。“他已經(jīng)開始習(xí)慣稱呼‘這個拇指為‘我的拇指了，”泰勒教授笑著說道。

“我們已經(jīng)找到觸覺最為重要的因素是壓力，但是壓力傳感器即使再靈敏精確，也不叫做觸覺?！碧├战淌诶^續(xù)說，“這項實驗起初，斯派提克感覺到的僅僅是壓力所造成的刺痛感。如何將刺痛感變?yōu)橛|覺，這是我們要去解決的。好比一聲刺耳的‘尖叫聲，我們?nèi)绾螌⑦@ ‘尖叫聲變?yōu)楹行畔⒌恼Z言？其實我們只需要將這‘尖叫聲分解，排列重組，就能把它變?yōu)檎Z言?！钡怯|覺卻沒有這么簡單。

舉個簡單的觸覺列子，你就會發(fā)現(xiàn)觸覺沒有那么簡單。當(dāng)我們把手放進自己的口袋時，你可以瞬間摸出兜里的東西，鑰匙，錢包，或者你的身份證，當(dāng)然手機也能通過觸覺摸出來，但是當(dāng)你的手機震動時，你不摸也知道那是手機?！斑@是一個非常形象的例子。這個行為可以解釋我們的觸覺是如何通過皮膚進行一個整體的傳感、猜測以及邏輯運算的。沒錯，這些觸感的傳遞不是由大腦進行處理的，而是皮下的帕西尼氏小體單獨完成的。你可以把皮膚想象為一張毛毯，每一微米下都有一個獨立的大腦?！?約翰霍普金斯大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家大衛(wèi)·林登教授在他巴爾的摩的辦公室里解釋道。

“觸覺不同于人類其他的感官，觸覺往往被人所忽視。我們可以想象一下，人類通過眼球可以看到東西，通過耳朵可以聽到東西。但是通過研究小白鼠我們發(fā)現(xiàn)，沒有了眼球我們可以模擬出視覺信號，沒有耳朵我們可以模擬出聲音信號，最后通過大腦去處理這些信號。但是觸覺信號我們難以模擬，因為觸覺信號通過皮膚傳遞過來時就已是處理完畢的信息了。在過去的10年里，人類對于觸覺的研究越來越多，但是我們研究的越多，就會發(fā)現(xiàn)觸覺的研究還有更多的未知?！绷值墙淌谡f。

科學(xué)家們對于觸覺的研究至今已經(jīng)推演出了很多深奧的科學(xué)理論和分支，例如觸覺學(xué)，修復(fù)學(xué)，體覺研究等等諸多學(xué)科。但是林登教授相信，在所有這些學(xué)科中最重要的觸覺傳感理論應(yīng)當(dāng)為——廣義最小二乘估計理論。簡單而言，觸覺的處理運算系統(tǒng)是通過多個系統(tǒng)進行的，不僅僅是單純的壓力系統(tǒng)，還包括其他諸多因素，例如痛覺和癢覺。

在痛覺和癢覺研究方面，約翰斯霍普金斯大學(xué)的中國神經(jīng)學(xué)家董欣中教授，借助小白鼠實驗來尋找感知瘙癢的神經(jīng)細胞。研究人員對小白鼠作基因改造，使它們的神經(jīng)細胞在活躍時變成熒光綠。隨后再使用瘙癢藥物刺激這些小白鼠的面部?！靶“资蟮男袨榉浅７€(wěn)定，如果是痛覺，它們會用前爪擦拭面部;如果是瘙癢，它們會用后抓去撓面部。實驗后發(fā)現(xiàn)小白鼠正是用后抓去撓面部的?！?實驗結(jié)果顯示，瘙癢神經(jīng)在脊柱內(nèi)，靠近脊髓。而瘙癢“刺激點”僅存在于皮膚內(nèi)，是人們只想抓撓皮膚而不會覺得內(nèi)臟器官瘙癢的原因，“所以你從不會覺得你的內(nèi)臟發(fā)癢?！?董教授說道。

美國哈佛大學(xué)神經(jīng)學(xué)家伊森·勒納說道，“這是一項非常令人信服的研究，有助于了結(jié)對痛覺和癢覺形式的長期爭論?！?董教授介紹道，數(shù)十年來，瘙癢機制一直沒有定論。一些研究發(fā)現(xiàn)某些疼痛神經(jīng)對瘙癢刺激作出反應(yīng)，而單獨的瘙癢神經(jīng)難以捕捉。于是一些人認為，痛覺和癢覺由相同的神經(jīng)回路感知，再由大腦作出不同解讀。但這難以解釋人對痛覺和癢覺作出的不同反應(yīng)，如遭蚊子叮咬時，多數(shù)人強烈希望撓一撓;但如果不小心碰到熱爐子，人的直覺是退縮。

觸覺的藝術(shù)

有一個非常有趣的現(xiàn)象，人體的每一種感官都有自己的藝術(shù)展現(xiàn)。說到人類的視覺藝術(shù)，多重多樣，你會首先想到電影，油畫等等;聽覺藝術(shù)更是豐富，比如音樂，相聲等等;甚至是嗅覺都有自己的藝術(shù)展現(xiàn)空間，例如香水，還有你太太做好的飯菜香味，“今天做的一定是紅燒肉！”

然而唯獨觸覺的藝術(shù)卻被人們忽視了。如今也有很多人提出“觸覺博物館”的概念，意在體現(xiàn)用手指去觸摸感受的藝術(shù)。然而這些想法都一一被歷史所淘汰了。歷史學(xué)家康斯坦斯·克拉森回憶道，“歷史上第一家觸覺博物館的原型是18世紀在阿什莫林地區(qū)的一家博物館。1760年，這家博物館的擁有者被指有不文明行為，因為博物館內(nèi)被觸摸的對象還包括女性以及孩子！在當(dāng)時，觸摸被標(biāo)為‘不合情理以及原始行為的標(biāo)簽。”即使到了今天，觸摸博物館內(nèi)的藝術(shù)品也是不被世人認可的。你可以想象那些被千百游客摸得锃亮的藝術(shù)品，還有旁邊那塊“禁止觸摸”的指示牌。

雖然觸覺的藝術(shù)展現(xiàn)很困難，但是觸覺在娛樂用途上的開發(fā)卻非常容易。首個觸摸屏手機是IBM公司在1993年推出的“Simon”，首次在手機里內(nèi)置了一塊觸摸屏，盡管早期觸摸屏的觸感實在是很差。隨后，摩托羅拉、索尼愛立信、三星、HTC等手機廠商，都在不斷尋找真正適合手機的觸摸屏設(shè)計。其中最為知名的要數(shù)蘋果公司了，最終蘋果公司在2007推出了具有高分辨率、多點觸控功能的iPhone，真正確立了觸摸屏的標(biāo)準。而在今天，電容觸摸屏已經(jīng)成為手機的標(biāo)準配備。“如今的手機生廠商都在打觸覺的主意，產(chǎn)品名和廣告都直接用‘觸覺（touch）了！” 一名耶魯大學(xué)計算機專業(yè)的學(xué)生說道。

游戲機的震動功能，也是觸覺體現(xiàn)價值的一個點。“那種手柄震動的觸感，總能讓你更加專注地投入游戲”不少游戲玩家說道。除了高科技的玩意外，還有不少機械功能的按摩椅和按摩器，能夠讓你從物理的角度接觸觸覺帶來的放松。“除了外部的刺激外，還會有內(nèi)部的刺激。畢竟皮膚與脂肪下面就是肌肉，人體的觸覺感受是復(fù)雜的，觸覺神經(jīng)末梢一部分也會連在肌肉上，這也是中國古代的針灸治療為什么會引起皮膚神經(jīng)不同感受的原因。”林登教授說道。不少新鮮的觸覺減壓玩具也隨著科技的進步而上線，例如減壓骰子，這個就像小時候我們喜歡把塑料泡沫包裝袋上的氣泡擠爆一樣，通過觸覺來釋放自己手指的壓力。

英國倫敦服飾時尚公司Cutecircuit還為觸覺的傳遞專門設(shè)計了一種T恤衫，在衣服的胸前印有“抱抱我”幾個字。他們還在英國的街頭舉行“為陌生人傳遞愛的擁抱”主題活動?！霸谛畔⒖萍及l(fā)展的今天，人們能夠通過科技手段相互發(fā)送聲音，發(fā)送圖像，但是卻無法發(fā)送觸覺?！绷值墙淌谡f道。通過擁抱，人們往往能夠感受到更豐富的情感信息。

幻痛與性觸覺

如果說觸覺還有一個更為重要的作用，那么人們一定會聯(lián)想到性行為。但是在了解性行為的觸覺之前，我們必須先要了解一個詞——“幻痛”，也叫作“幻肢痛”?！盎猛础笔侵富颊吒械奖磺袛嗟闹w仍在，且在該處發(fā)生隱隱的疼痛感。舉個例子，在電影中當(dāng)你看到主角的皮膚被烙鐵燙傷，你會不自覺地感受到自己皮膚有種奇怪的感覺，這就是幻痛。而幻痛與性觸覺在引發(fā)原理上有所相似，而且還都會被人夸大其詞來描述這種觸覺。

對于伊戈爾·斯派提克來說，幻痛感再熟悉不過了。他的腦海中依稀記得工業(yè)事故發(fā)生的那天。當(dāng)他的手臂被機械截斷的一刻，那種疼痛感就永久地印在了他的腦海中?！盁o法忍受的疼痛，每當(dāng)我有意或者無意間回想起時，都會感到我的手臂傳來一陣陣灼燒的疼痛。”斯派提克說道。

幻痛的表現(xiàn)往往出現(xiàn)在斷肢病人的身上，疼痛性質(zhì)有多種，如電擊樣、切割樣、撕裂樣或灼燒等。表現(xiàn)為持續(xù)性疼痛，且呈發(fā)作性加重。各種藥物治療往往無效?！皩猛吹陌l(fā)生原理，目前科學(xué)界尚無統(tǒng)一意見，當(dāng)然也沒有明確的療法?！碧├战淌诮忉屨f道?！暗猛赐且环N心理認知現(xiàn)象，也是人類自我保護的潛能。自從斯派提克安裝了仿生手臂之后，他的這種幻痛現(xiàn)象緩解了很多，最后甚至消失?；猛吹某霈F(xiàn)并不是因為疼痛感的巨大而產(chǎn)生的后遺癥，例如女性在分娩時的疼痛感也是非常巨大的，但是我們很少聽到產(chǎn)后婦女會有幻痛，這是因為她們接受了這種痛覺刺激?！?/p>

所以，幻痛感可以說是人類因為自我保護本能的排斥，所產(chǎn)生的觸覺。而性行為所帶來快感的觸覺，和幻痛感類似，是人類本能的渴望而產(chǎn)生的強烈的觸覺。關(guān)于性行為的觸覺感受，你可能聽過千百種說法，各種美妙且不可思議的描述。甚至大多數(shù)男性都會認為生殖器上的觸覺會更為靈敏?！捌鋵嵅蝗唬覀冊?jīng)在顯微鏡下尋找過生殖器上所謂的‘性傳感神經(jīng)，但是那里的皮膚沒有任何特殊之處，和其他的皮膚完全一樣?！鄙窠?jīng)學(xué)家大衛(wèi)·林登教授說道。一個有趣的案例是，一位女士每天早上刷牙時都會引發(fā)性高潮，在檢查過后發(fā)現(xiàn)，引發(fā)這種情況的原因是刷牙時的動作，而非其他原因，“所以說性行為快感的傳遞是多種因素造成的，并非只有觸覺?！?/p>

達斯汀·泰勒教授對于觸覺的研究在美國國防部的財政支持下還在繼續(xù)著，每年美國將會花費數(shù)千萬美元在這項科學(xué)研究上，因為太多從伊拉克戰(zhàn)場以及阿富汗戰(zhàn)場上回國的士兵是殘疾人。而斯派提克佩戴該假肢兩年半后，雖然幻痛感消除了，但是仿生手臂的觸感也沒有一開始那么強烈了，感覺會隨著時間的推移而慢慢淡去，甚至在其他仿生手臂的使用者中，觸覺在幾周后便開始消失。但是研究人員希望該技術(shù)能夠使患者受用終身，并有信心于5年內(nèi)實現(xiàn)在美國全國推廣使用使用。

“為什么觸覺缺少藝術(shù)表現(xiàn)形式？我想是因為人類本身無法逃避觸覺帶來的感受，這也是一種本能。你可以閉上眼睛，捂住耳朵，卻沒有辦法關(guān)掉你的皮膚?！碧├战淌谡f道。