仿生手军备竞赛

在儒勒·凡尔纳1865年的小说中从地球到月球在美国，虚构的巴尔的摩枪支俱乐部的成员都是残疾的内战退伍军人，他们焦躁不安地寻找一个新的敌人来征服。他们在战争中不断创新更致命的武器。战争结束时，“四个人只有一条胳膊，六个人只有两条腿”，这些自学成才的截肢武器匠决定将他们的技能用于一种新的投射物:火箭船。

巴尔的摩枪支俱乐部将自己推向月球的故事讲述了老兵非凡的男性力量，他们不仅仅是“克服”了自己的残疾;他从中获得权力和野心。他们的“拐杖、木腿、人工手臂、钢钩、橡胶下巴、银色头盖和铂金鼻子”在他们的个性中不起主导作用——它们只是身体上的工具。这些零碎的人不太可能是发明的十字军战士，肩负着更不可能的使命。然而，还有谁比被技术改造的人更适合设计下一次技术上的巨大飞跃呢?

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正如凡尔纳所理解的，美国内战(在此期间60000年截肢多亏了联邦政府的资助，以及义肢企业家申请的一波设计专利，该项目开启了美国现代义肢时代。两次世界大战巩固了美国和西欧以营利为目的的义肢行业，而正在进行的反恐战争帮助它一跃成为一个60亿美元遍及全球的工业。然而，最近的投资并不是军事冲突中不成比例的大量截肢的结果:周围1500名美国士兵而且300名英国士兵在伊拉克和阿富汗失去肢体。普通人群的肢体损失使这些数字相形见绌。仅在美国，就有超过200万人失去肢体，每年有18.5万人接受截肢手术。一个更小的子集——每年1500到4500个孩子——出生时就有肢体差异或缺失，包括我自己。

今天，设计假肢的人往往是好心的工程师，而不是截肢者自己。这个世界上的肉质残肢就像这些设计师的高科技、超人未来梦想的仓库。我知道这一点，因为在我的一生中，我已经拥有了一些最尖端假肢设备在市场上。在出生时缺少左前臂后，我是美国第一批装上肌电假手的婴儿之一，这是一种电子设备，由佩戴者的肌肉紧靠假体插座内的传感器控制。亚博排列五投注网站从那以后，我戴上了各种各样的假手，每一种都在努力实现与人手的完美逼真——有时以美学为代价，有时以功能为代价，但总是为了模仿和替换缺失的东西而设计。

在我的一生中，肌电手已经从爪状结构进化为多握、可编程、解剖学上精确的人手复制品，其中大多数都要花费数万美元。记者们怎么也看不够这些复杂的、多重抓握的“仿生”手，它们有着栩栩如生的硅胶皮肤和有机的动作，不言而喻的承诺是残疾很快就会消失，任何失去的肢体或器官都将被一个功能相同的复制品取代。义肢的创新被视为一场高风险的竞争，看什么是技术上的可能性。泰勒·海斯，假肢初创公司的首席执行官原子的四肢，把它放在a中WeFunder视频“历史上的每一次登月计划都伴随着相当多的疯狂，从电力到太空旅行，原子四肢也不例外。”

我们陷入了一场仿生手的军备竞赛。但我们取得了真正的进展吗?是时候问问假体到底是给谁用的，以及我们希望它们能达到什么目的。每只新的多重抓取仿生手往往都更复杂，但也比上一只更昂贵，而且不太可能被保险覆盖(甚至是部分)。正如最近的研究得出的结论，简单得多、便宜得多的假肢设备可以同样出色地完成许多任务，而奇特的仿生手，尽管有所有的电子选项，却很少用于抓取。

假肢公司Arm Dynamics制造的这种活动臂比仿生假肢更便宜，更耐用。这款假肢由德州辅助设备公司(Texas Assistive Devices)生产，可以承受非常重的重量，让作者可以用她昂贵得多的仿生手臂进行有风险或不可能进行的锻炼。加芙Hasbun;化妆:Maria Nguyen for MAC cosmetics;发型:Joan Laqui为Living Proof设计

功能或形式

近几十年来，研究和开发新型人造手的绝大多数焦点都集中在完善不同类型的握把上。市场上许多最昂贵的手通过可选择的握把的数量和种类来区分自己。我自己的媒体宠儿，这只来自Ottobock的仿生手，是我在2018年收到的，它有一个拳头形状的有力握把，捏握把，还有一个非常特殊的模式，大拇指放在食指上，用来礼貌地递信用卡。我这只21世纪的肌电手似乎很了不起，直到我试着用它来完成一些日常任务，结果证明它的确如此更多的如果我只是把它放在沙发上，那就麻烦又费时了。我不能用它来把门关上，比如，我可以用我的残肢来完成这个任务。如果没有一个非常昂贵的有动力的手腕，我就不能把燕麦片从锅里倒进碗里。执行任务酷炫的仿生方式尽管它模仿的是两只手，但它显然并不比我自己做事好，有时需要我的腿和脚的帮助。

当我第一次和广告施皮尔他是帝国理工学院(Imperial College London)机器人与机器学习专业的讲师，当时是深夜，但他仍对机器人手充满热情——这是他目前的研究重点。斯皮尔斯说，从当今假肢的现实到科幻和动漫的幻想，拟人化的机械手是不可避免的。斯皮尔斯说:“在我在这里的第一次演讲中，我展示了一些电影和动画片的片段，以及电影制作人制作的机器手看起来有多酷。”在动画中机动战士高达，片中有很多巨大的机器人手抓着大枪之类东西的特写镜头。但为什么需要人手呢?为什么机器人不把枪当手呢?”

是时候问问假体到底是给谁用的，以及我们希望它们能达到什么目的。

斯皮尔斯认为，假肢的开发人员太过于注重形式而不是功能。但他和很多人交谈过，知道他们不同意他的观点:“我有一种感觉，人们喜欢人类伟大的想法，手让人类变得非常独特。”几乎每一所大学的机器人系都在研发拟人化的机械手。“这就是未来的样子，”他说，听起来有点恼火。“但通常有更好的办法。”

绝大多数使用义肢的人都是单侧截肢者，即只影响身体一侧的截肢者，他们几乎总是用惯用的“多肉”手来完成一些微妙的任务，比如拿起杯子。单侧和双侧截肢者也从他们的躯干、脚和环境中的其他物体获得帮助;很少有工作是由假体单独完成的。然而，常见的临床评估来确定一个假体的成功与否是基于只使用假体，而没有其他身体部位的帮助。这样的评估似乎是为了证明假手能做什么，而不是为了确定它在使用者的日常生活中有多大用处。残疾人仍然不是假肢标准的仲裁者;我们仍然不是设计的核心。

Hosmer Hook(左)最初设计于1920年，是一种基于身体驱动设计的终端设备，至今仍在使用。在把钉子钉进木头里时，锤子附件(右)可能比夹持附件更有效。左:约翰·普列托/丹佛邮报/盖蒂图片社;右图:Hulton-Deutsch Collection/Corbis/Getty Images

真实世界中的义肢

为了了解假肢使用者如何使用他们的设备，斯皮尔斯领导了一项研究该研究使用了戴在参与者头上的摄像头来记录8名单侧截肢或先天性肢体差异患者的日常活动。这项研究中,去年出版于IEEE医学机器人与仿生学汇刊其中包括多种肌电手和身体动力系统，这些系统通过电缆传递肩膀、胸部和上臂的运动，机械地操作假体末端的夹持器。这项研究是在施皮尔斯担任耶鲁大学研究科学家期间进行的抓住实验室，以亚伦美元．除了Dollar，他还与该研究的合著者研究生Jillian Cochran密切合作。

看了研究的原始录像，我对匿名义肢使用者既感到悲伤，又感到亲切。这些片段显示了笨拙、错误计算和意外掉落，即使是非常有经验的义肢使用者也很熟悉。通常情况下，假肢只是帮助将物体支撑在身体上，以便由另一只手处理。同样显而易见的是，人们花了多少时间来准备他们的肌电假体来执行一项任务——通常需要额外的几秒钟来手动或电子旋转设备的手腕，将物体排成直线以正确地抓住它，并制定抓取方法。在擦拭厨房柜台时，把一瓶消毒喷雾挂在“钩子”手上的参与者似乎已经弄明白了这一切。

在这项研究中，在所有记录的手术中，平均只有19%使用了假体设备。一般来说，假体被用于大多数不抓握的动作，而另一只“完好”的手做大部分的抓握。这项研究强调了使用非电力、身体动力义肢的患者和使用肌电义肢的患者在使用上的巨大差异。对于肘部以下截肢的体动力假肢使用者，近80%的假肢使用是非抓握动作——推、压、拉、挂和稳定。对于肌电使用者来说，该设备仅在40%的时间内用于抓取。

更能说明问题的是，与使用更复杂的假肢设备的用户相比，使用非电动抓手或拆分钩子的身体供电用户执行任务的时间要短得多。Spiers和他的团队注意到前者在家中做事的流动性和速度。他们几乎可以立即使用他们的人造手，甚至可以通过驱动这种系统的电缆体验直接的触觉反馈。这项研究还揭示了肌电单握装置和更花哨的肌电多关节多握装置在使用上的差别很小——除了使用者倾向于避免用多握手悬挂物体，似乎是出于害怕把它们弄坏。

斯皮尔斯说:“我们感觉，拥有多握肌电手的人对它们的使用相当犹豫。”这也难怪，因为大多数肌电手的价格都在2万美元以上，很少得到保险公司的批准，需要经常的专业支持来改变握把模式和其他设置，而且维修过程昂贵而漫长。随着假体技术越来越复杂和专有，其长期使用性能越来越受到关注。理想情况下，设备应该易于用户修复。然而，一些假肢创业公司正在推广一种订阅模式，用户继续为获得维修和支持付费。

尽管他的研究得出了这样的结论，但斯皮尔斯说，绝大多数假肢的研发仍然专注于改进昂贵的高科技仿生手的抓取方式。他说，即使在假肢之外，非人灵长类动物研究和机器人技术的操纵研究也主要关注抓取:“任何不抓取的东西都被扔掉了。”

TRS为不同的爱好和运动制作了各种各样的身体动力假肢附件。每个附件都专门用于特定的任务，并且可以轻松地将它们交换为各种活动。Fillauer TRS

把握历史

如果我们认为手是人类的特征，而手的独特之处在于它的抓取能力，那么我们拥有的唯一假肢蓝图就是大多数人手腕上的那个。然而，追求对五位数的终极把握并不一定是合乎逻辑的下一步。事实上，历史表明，人们并不总是专注于完美地再造人手。

正如2001年文集中所述书写在手上:近代早期欧洲的记忆与知识在美国，关于手的概念经历了几个世纪的演变。“灵魂就像手;因为手是工具中的工具，”亚里士多德写道论灵魂．他推断，人类被故意赋予了灵活和可握握的手，因为只有我们独特的智慧的大脑才能使用它——不仅仅是一种器具，而是一种工具apprehensio或者“抓住”这个世界，从字面上和比喻上都是如此。

一千多年后，亚里士多德的思想在文艺复兴时期的艺术家和思想家中引起了共鸣。对于列奥纳多·达·芬奇来说，手是大脑与世界的中介，为了理解手的主要组成部分，他在解剖和描绘人手方面付出了极大的努力。他对前臂和手的肌腱和肌肉进行了细致的研究，得出了这样的结论:“尽管人类的聪明才智创造了各种各样的发明……但它永远不会发现比大自然更美丽、更合适或更直接的发明，因为在她的发明中，没有什么是缺乏的，也没有什么是多余的。”

达·芬奇的插图激起了人们对人体解剖学的兴趣。然而，尽管欧洲大师们对人手进行了勤奋的描绘，但手更多地被视为一种灵感，而不是凡人可以复制的对象。事实上，人们普遍认为，人类手的复杂性证明了神的设计。基督教哲学家威廉·佩利(William Paley)宣称，没有任何机器比手的屈肌“更做作，或者更明显”，这表明这是上帝的刻意设计。

用很酷的仿生方式执行任务，尽管它模仿的是两只手，但显然并不比用我的方式做事情好，有时需要我的腿和脚的帮助。

到了18世纪中期，随着全球北方的工业革命，一种更加机械的世界观开始出现，生物和机器之间的界限开始模糊。在她2003年的文章中十八世纪湿件”,杰西卡·布伦斯坦福大学(Stanford University)的历史学教授约翰·斯坦福德(john john)写道:“18世纪30年代到90年代是一个模拟时代，机械师们认真地试图缩小有生命的机械和人工机械之间的差距。”这一时期假肢的设计发生了重大变化。16世纪的机械假肢是用铁和弹簧支撑的，而1732年的身体动力假肢使用滑轮系统来弯曲由轻铜制成的手。到了18世纪晚期，金属被皮革、羊皮纸和软木塞等模仿生命的柔软材料所取代。

20世纪早期的技术乐观主义给假肢设计带来了另一个变化，他说狼施韦策他是苏黎世法医研究所(Zurich Institute of forensic Medicine)的法医病理学家，也是一名截肢者。他拥有各种各样的当代假肢，并有必要的经验来测试它们。他指出，解剖学上正确的假手已经雕刻和锻造了2000年的大部分时间。然而，他说，20世纪的身体动力拆分钩子“更现代”，它的设计更愿意打破人手的模式。

“身体驱动的手臂——就其象征意义而言——(仍然)表达了20世纪20年代工业社会的人机象征意义。”施韦策在他的假肢博客中写道“当人类在生产线或农业中充当时钟齿轮时。”在20世纪20年代霍斯默钩子的最初设计中，钩子内部的一个环仅用于系鞋，另一个仅用于挂烟。斯皮尔斯告诉我，这些设计“功能强大，功能重于形式”。所有的作品都有特定的用途。”

施韦策认为，随着20世纪对体力劳动的需求减少，高功能但不自然的假肢被一种新的高科技未来愿景所取代:“仿生”手。2006年，美国国防高级研究计划局启动革命性修复这是一个旨在开发具有“近乎自然”控制能力的下一代义肢的研究项目。这个耗资1亿美元的项目生产了两个多关节假肢(一个用于研究，另一个成本超过5万美元)。更重要的是，它影响了其他类似假肢的创造，建立了仿生手作为军方想象出来的-就像义肢界的圣杯。如今，多握仿生手占据主导地位，是半机械人完整性的象征。

然而，一些假肢开发者正在追求不同的愿景。TRS总部位于科罗拉多州博尔德市，是少数几家生产活动专用假体附件这种假肢通常比机器人假肢更耐用，也更经济实惠。这些塑料和硅胶附件，包括用于俯卧撑的软软的蘑菇状装置，用于举重的棘轮钳，以及用于游泳的凹鳍，帮助我体验了我从未从义肢中获得的最大功能。

这种低技术含量的活动假体和身体动力假体的性能非常好，成本仅为仿生手的一小部分。它们既不像人手，也不像人手，因此它们的功能更好。施韦策认为，身体动力假肢是可行的经常被被工程师称为“神秘莫测”，或者被嘲笑为“虎克船长”。未来的仿生肩膀和肘部可能会给那些失去肩膀以下肢体的人的生活带来巨大的变化，前提是这些设备能够变得坚固耐用，价格合理。但是对于Schweitzer和大部分不满意他们的肌电假肢的用户来说，假肢行业还没有提供任何从根本上比身体动力假肢更好或更便宜的东西。

我们想要的突破

仿生手试图让残疾人“完整”，让我们参与到一个文化上是双手的世界。但更重要的是，我们能过上我们想要的生活，有机会获得我们需要的工具，而不是让我们看起来和其他人一样。虽然许多四肢不同的人已经使用仿生手来与世界互动和表达自己，但几个世纪以来对仿生手的完善努力很少集中在我们的生活经历和我们想在生活中做什么上。

一百年来，我们一直被承诺要在假肢技术上取得突破。这让我想起了实验室培育的肉类在科学界引起的兴奋，它似乎既是一种爆炸性的转变，也是一种智力投降的标志，在这种转变中，政治和文化变革被忽视，取而代之的是技术修复。在假肢的世界里，医生、保险公司、工程师、义肢师和军队都扮演着同样的角色，几十年来，几乎不可能产生真正革命性的东西。

与此同时，这个隐喻性的登月竞赛是一个忘记了其最初关注点的任务:帮助残疾人获得并使用他们想要的工具。现在有便宜、容易获得、低技术含量的义肢，需要在创新方面进行投资，以进一步降低成本并提高功能。至少在美国，有一个破损的保险系统需要修复。把我们从仿生手的军备竞赛中解放出来，可以为更实用、更实惠的功能设计提供可能性，并可能帮助我们把对假肢的渴望带回现实。

本文刊登在2022年10月的印刷版上。