“刀锋战士”是怎样炼成的

摘要: 机械假肢的发展,正在使人与机器间的界限变得愈发模糊,或许在不久的将来,人类就将重新定义自己。

在所有参加2012伦敦奥运会的运动员中,来自南非的奥斯卡·皮斯托瑞斯无疑是最为特殊的一个。由于天生缺少腓骨和踝骨,皮斯托瑞斯在11岁时被截断了膝盖以下的腿部。然而这个缺少了双腿的年轻人却令人难以置信地成为了一名职业短跑运动员。

17岁时,因为装上了类似于刀片的J形假肢,他的人生轨迹就此改变。伦敦奥运上,这双造型独特的假肢让皮斯托瑞斯格外与众不同,人们也因此送给了他一个外号——“刀锋战士”。

“印度豹”的诞生

皮斯托瑞斯身上安装的假肢名叫“印度豹”,是由来自冰岛的残障人器械公司奥索(ossur)开发的。

“印度豹”由50-80层碳纤维构成,大约有8磅重。为了更适于跑步,“脚跟”还添加了一条耐克跑鞋的鞋底。

“印度豹”并不是奥索开发的第一款产品,它的前身“飞毛腿”早在1984年就已经发明出来,不过,当时主要是作为一款辅助日常生活的假肢,而并不针对专业级的运动需求。

“飞毛腿”的发明家范·菲利普是一位生物医药学工程师,1976年的一场事故让他失去了一条腿。不幸截肢后的菲利普发现当时制作假肢的材料主要是木材和橡胶,使用起来的体验并不好,因此他决定尝试新的材料和技术来制作假肢,开发一款更加适合自己的产品。

最终,菲利普选中碳纤维作为新式假肢的制作材料。碳纤维长期以来主要用于航空航天领域,其最大的特性就在于重量轻、强度高、韧性好。而这些物理特性恰恰是“飞毛腿”J形弯曲结构所需要的。

“飞毛腿”一经问世就备受瞩目,它的J形结构可以使假肢在着地时像弹簧一样压缩,当抬脚时能够产生反弹,提供能量返还。

所谓的能量返还是指:运动中,着地、站立末期和预摆动期将能量返还到人体。能量返还得越少,就越容易感到疲劳。对健康人来说,这一过程是通过胫骨肌肉群和小腿三头肌来完成的。但截肢手术使得残障人士的这些肌肉丧失了功能,因此由假肢来提供能量转换就变得很重要。

“飞毛腿”的设计能够使安装者的运动能力大大提升,于是1997年,奥索公司将“飞毛腿”升级,使之更加符合专业运动的特性。由于改进后的产品形状与印度猎豹的后腿相似,因此它被命名为“印度豹”。

其实,除了“印度豹”之外,奥索还有另外一款运动假肢“FLEX-RUN”。“印度豹”主要针对的运动项目是100米、200米、400米跑和跳远。而FLEX-RUN则适合马拉松等耐力运动。

与“印度豹”J形不同,“FLEX-RUN”的形状则与英文字母C相似,这样的设计虽然使它在能量返还上比“印度豹”慢一些,但是缓震效果则更为出色,而这正是长跑这样的运动所需要的。

皮斯托瑞斯对于“印度豹”的使用也曾引发一些争议,2007年,国际田联甚至特批了一笔5万美元的研究经费,邀请专家测量“印度豹”是否能帮助残疾运动员获得比正常人更多的优势,以便判断是否批准皮斯托瑞斯参加奥运会。当时测试的结果是,无论是设计外观,还是碳纤维材料的使用,“印度豹”都能帮助使用者在短跑中节省更多能量。

对这个结果,皮斯托瑞斯当然不服,他找来假肢运动理论学家以休·赫尔领衔的运动专家团队,重新进行了测量,最终推翻了国际田联的决定,获得了参加奥运的资格。

几年间,随着皮斯托瑞斯穿着“印度豹”四处亮相,奥索也成为了全球最知名的假肢制造厂商之一。

智能假肢的未来

虽然在奥运会上奥索的假肢与“刀锋战士”一起大出风头,不过,在专业人士的眼中,皮斯托瑞斯的“印度豹”假肢还只能算是“小儿科”。美国麻省理工大学媒体实验室生物机械电子团队的负责人Hugh Herr此前接受媒体采访时就曾表示,“印度豹”并没有使用神经传导,因此技术含量并不够高。言下之意就是,高科技假肢的评判标准在于是否使用了神经传导技术。

正常情况下,人移动手臂时,大脑会产生电信号,信号通过神经传导至手臂,激活手臂肌肉,从而完成移动手臂的动作。当人的手臂被截肢后,残肢仍旧能够接收并保留大脑传输的信号。

因此,对于真正的智能假肢来说,能够解读这些残留信号,并且将之进一步转化成为电脑指令从而驱动人造手臂做出相应运动就成为了技术的关键。

2010年,美国国防高级研究计划局批准了一笔预算高达3450万美元的研究经费,用于资助马里兰州的约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)进行智能假肢系统的研究。

APL的科学家和工程师们不仅开发出了两种复杂的原型系统。此外,还制造出了植入式微型芯片,用于记录大脑的信号并对大脑特定部位产生电信号刺激。

今年1月,这项研究取得了突破性的进展,在沃尔特里德国家军事医疗中心,项目小组为一名伤残美国士兵成功安装了新型智能化假肢。该假肢能够提供22个独立运动的关节,甚至连每个手指都可以独立活动,而总重量大约只有9磅,几乎达到以假乱真的程度。

就在APL的研究取得突破的同时,在NASA Tech Brief主办、PTC赞助的“科技创造未来设计大赛”中,College Park Industries的设计师Mike Leydet率领研发团队推出的新型无线传感器iPecs Tech获得电子科技类一等奖。

iPecs系统(智能假肢内部骨骼组件系统)是世界上第一个专门为测量截肢患者的步态、步法而设计无线传感器。当被安装在假肢内部时,它是唯一能够测量力量、运动和加速度状态的装置,可供研究人员通过无线传输收集假肢使用者的日常活动数据。研究者利用这些数据可对假肢做出相应的调整,使假肢使用者的步态对齐和关节活动度接近四肢健全的人们。

得益于假体产品的设计进步,愈来愈多的残障人士正在获益。伦敦奥运后举行的残奥会上,美国运动员Matt Brown穿着马里兰大学帕克分校研制的比目鱼肌脚参加了铁饼项目,日本运动员Maya Nakanishi也在田径比赛中使用了该装置。

根据业内人士的介绍,智能假肢技术的重要方向是与脑机接口技术相融合。

脑机接口技术能够实现人脑与计算机等外部电子设备间的直接通信,这意味着,将来人们可以直接通过大脑操控复杂的机械设备。而随着智能假肢技术以及动力外骨骼等相关技术的进一步发展,它们的服务范围将不再仅仅局限在残障人群,而会展现出更为广阔的市场空间,钢铁侠身上那套无比神奇的盔甲也将从科幻电影中走向现实。

机械假肢的发展,正在使人与机器间的界限变得愈发模糊,或许在不久的将来,人类就将重新定义自己。

本文系作者 杨钊 授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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杨钊
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《商业价值》记者 关注汽车、可穿戴设备、体育等等

评论(10

  • aiminhao aiminhao 2013-11-28 21:44 via pc

    人类的极限真是不断突破的

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  • uvcw0123 uvcw0123 2013-10-02 06:38 via pc

    科技在进步!…

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  • wttr wttr 2013-09-30 12:35 via pc

    还是希望正常人不需要

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  • 李逍遥2008 李逍遥2008 2012-09-29 09:58 via pc

    科技会使人类的生活越来越方便

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  • iGevin iGevin 2012-09-28 21:20 via pc

    结尾部分让我想到≪失控≫了

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  • Buttonwood Buttonwood 2012-09-28 15:38 via pc

    科技改变未来,只有科技发达,运用到更便捷的生活中,我们认识自己的边界才能无限扩大,我们才能突破自己。

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  • Heroic Heroic 2012-09-28 13:26 via pc

    同在一片蓝天下,他们应该和我们一样享受更多。

    他们不是残疾人,只是身体某方面有障碍而已。

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  • conner qiao conner qiao 2012-09-27 21:42 via pc

    呵呵'敢于想象与探索'是人类能够在宇宙中生存下去的基本要素'没有其他

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  • xukaiaishuhui xukaiaishuhui 2012-09-27 21:19 via pc

    未来可能会变成机械化的社会

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  • cyrusf cyrusf 2012-09-27 11:58 via pc

    在未来科技越发的发达,或许人类真的将会重新定义也说不定啊,机械身体与神经的结合,等等

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Oh! no

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