仿生手的軍備競賽

編譯 高斯寒

本文作者布里特·楊（Britt Young）手持她的奧托博克公司生產(chǎn)的iLimb仿生手臂

在儒勒·凡爾納（Jules Verne）于1865年問世的長篇小說《從地球到月球》中，虛構(gòu)的巴爾的摩大炮俱樂部的成員——都是經(jīng)歷過美國內(nèi)戰(zhàn)的傷殘老兵——無法安寧地搜尋一個可以攻克的新敵人。他們在戰(zhàn)爭中創(chuàng)造出更致命的新武器。等到戰(zhàn)爭結(jié)束時，四個人之中沒一條完整的手臂，六個人中只有兩條腿，這些自學成才的截肢者兼武器制造師決定為他們的手藝重新尋找一個用途，去發(fā)明一種新式的拋射物——火箭飛船。

巴爾的摩大炮俱樂部驅(qū)策自身飛往月球的故事展現(xiàn)了老兵不尋常的男性力量，他們不只是“克服”自己的殘疾，他們更是從殘疾中獲取力量和雄心。他們的“拐杖、木腿、假手臂、鋼鉤子、橡膠下顎、銀質(zhì)頭蓋骨和鉑金鼻子”在他們的人格中并不起主導作用——它們僅僅是他們身軀上的工具。這些殘疾人不太可能成為發(fā)明事業(yè)的“十字軍戰(zhàn)士”，他們的使命甚至更加不可能實現(xiàn)。然而，誰能比這些本身被技術再造過的男人更好地設計出技術的下一個大飛躍？

正如凡爾納所知的，美國內(nèi)戰(zhàn)（期間一共實施了6萬起截肢手術）開啟了美國的現(xiàn)代義肢時代，這多虧了聯(lián)邦補助金和創(chuàng)業(yè)中的義肢師遞交的眾多設計專利。兩場世界大戰(zhàn)鞏固了美國和西歐的營利性義肢產(chǎn)業(yè)，目前進行中的反恐戰(zhàn)爭幫助推動了義肢產(chǎn)業(yè)，使其成為全球范圍內(nèi)規(guī)模達到60億美元的大產(chǎn)業(yè)。然而，近些年的投資并非軍事沖突中截肢數(shù)量帶來的結(jié)果：大約只有1 500名美國軍人和300名英國軍人在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場斷肢。一般人群中喪失上下肢的人數(shù)會讓上述的數(shù)量相形見絀。單單在美國，就有超過200萬人忍受著肢體喪失，每年有18.5萬人接受截肢手術。一個小得多的子集——每年有1 500到4 500個嬰兒——出生時就伴有肢體異?；蛑w缺失，我自己也包括在內(nèi)。

如今，義肢的設計者往往是有良好意圖的工程師，而不是截肢者本人。對于這些設計師的高科技、超人類未來的夢想，世間的殘肢充當起了展示館。我知道這點，因為在我的一生中，我曾經(jīng)被裝配過一些市面上最為前沿的義肢裝置。我出生時就缺少左前臂，我是美國首批裝上肌電義手的嬰兒之一。肌電義手這種電動裝置由佩戴者的肌肉控制，肌肉的拉緊會被義肢承窩內(nèi)的傳感器感測到。從那時起，我已經(jīng)裝過許多種義手，它們中的每一種都努力實現(xiàn)人手的完美逼真度——有時以美學為代價，有時以功能為代價，但都是旨在模仿和取代缺少的部分。

在我從小到大的歲月里，肌電義手已經(jīng)從爪子一般的構(gòu)造發(fā)展到多指抓取式，可編程，在結(jié)構(gòu)上精確模擬人手，大多數(shù)要耗費數(shù)萬美元。記者們愛死了這些精密復雜、能夠多指抓取、擁有逼真硅膠皮膚、動作像有機生命的“仿生”手，還有一個尚未明說的允諾——殘疾不久后就會消失，任何喪失的肢體或器官都會被替換上一個同等性能的復制品。義手創(chuàng)新被視作一場押下大賭注的競賽，為的是看看在技術上可以實現(xiàn)什么。義肢初創(chuàng)企業(yè)“原子肢體”的首席執(zhí)行官泰勒·海斯（Tyler Hayes）在募資平臺WeFunder上的一個視頻里這么說：“歷史上的每一個不太可能實現(xiàn)的項目開始時都有相當大的瘋狂成分，從電的誕生到太空旅行都是如此，原子肢體沒啥不同?！边@個視頻幫助該公司從投資者處募集到720萬美元。

我們被困在一場仿生手“軍備競賽”中。但我們是否正在取得真正的進步？是時候問一下，義肢是為了誰而生，我們希望它們實際地實現(xiàn)什么目標。每個新式多指抓取仿生手往往愈加精密復雜，也比上一款產(chǎn)品更加昂貴，越不可能被保險覆蓋（甚至連部分覆蓋都不可能）。正如近期的研究所總結(jié)的，便宜不少、遠遠沒那么昂貴的義肢裝置能同樣出色地執(zhí)行許多任務，而高檔的仿生手——盡管有各種電動選項——卻極少被用來抓取東西。

功能或外形

在最近幾十年里，新式人造手的研究開發(fā)重心被壓倒性地放在完善不同類型的抓取動作上。市面上最昂貴的仿生手中，許多產(chǎn)品通過可選擇的抓取動作的數(shù)量與類型，來與其他產(chǎn)品相區(qū)分。我的仿生手是奧托博克公司生產(chǎn)的iLimb，它也是一個媒體寵兒，得到許多報道。我在2018年收到這只仿生手，它像一個拳頭的形狀，具有強力抓握、捏抓和一個特定模式——大拇指放在食指之上，用于有禮貌地遞出信用卡。我的這支21世紀的肌電仿生手看起來不同尋常，直到我嘗試用它來做一些日常任務，事實證明戴上它后比簡單地將它留在沙發(fā)上更加累贅和耗時。譬如說，我無法用它來將一扇門拉攏，而這件事我用自己的殘肢都能完成。沒有極其昂貴的動力手腕附加體，我不能從一只鍋里倒燕麥粥到一只碗里。以炫酷的仿生方式來執(zhí)行任務時，盡管它模擬擁有兩只手的情況，但它顯然并沒有優(yōu)于用我自己的方式（有時在腿和腳的幫助之下）做事。

亞當·施皮爾斯（Ad Spiers）是倫敦帝國學院的機器人學與機器學習專業(yè)講師。我第一次和他交流是在他的辦公室里，盡管已是深夜，可他依然對于機器手興致勃勃——機器手是他目前的研究重心。施皮爾斯說，擬人機器手是逃不過的一關，從現(xiàn)今義肢的現(xiàn)實到科幻和動畫的幻想都是如此。他說：“我在這兒最早的一次講課中，我展示電影和卡通片段，電影制作人讓機器手呈現(xiàn)怎樣的外形。高達系列動畫中有許多特寫鏡頭，巨大的機器手抓著碩大的槍支之類的東西。但為何它需要像一個人手？為何機器人沒有干脆用槍支代替手呢？”

譬如義肢公司“手臂動力學”制造的這款活動手臂—沒有仿生義肢那么昂貴，也比它們更加耐用。來自義肢裝置公司“得克薩斯輔助裝置”的附加體被評估適用于極沉的重物，使得楊能進行鍛煉，而若是用更為昂貴的iLimb仿生手，則會有風險，或是不可能做到

霍斯默鉤（左）最初設計于1920年，是身體動力型設計中的終端裝置，至今依然使用。當把釘子敲進木頭中時，榔頭形狀的附加體（右）也許比一個抓握附加體更加有效

施皮爾斯認為，義肢開發(fā)者過于執(zhí)迷于外形，忽略了功能。但他早已和許多義肢開發(fā)者聊過，知道他們和他的觀點不同：“我有種感覺，人們喜愛人類了不起的想法，而正是手使得人類相當獨特?！笔┢査乖煸L過的幾乎每個大學機器人學系都有一款擬人機器手在研發(fā)中?！斑@是未來的樣子，”他說道，聽起來有點惱怒，“但往往存在著一些更好的方式。”

絕大多數(shù)的義肢使用者是單側(cè)截肢者——截肢僅僅影響他們的一側(cè)身體——他們事實上總是用他們占支配地位的“肉身”手來執(zhí)行精細的任務，譬如拿起一只杯子。單側(cè)截肢者和兩側(cè)截肢者也能夠從軀干、腳和環(huán)境中的其他物體獲得幫助，單單用義肢來執(zhí)行任務的情況極少見。然而，平常判定一個義肢是否成功的臨床評估是基于僅使用義肢的測試，沒有其他身體部位的幫助。這樣的評估看來是旨在示范義手能做什么事，而不是展示它在用戶日常生活中能夠有多少實際的用處。殘疾人士依然不是義肢標準的裁決者，我們依然不處在設計的核心位置。

現(xiàn)實世界中的義肢

為了弄清義肢使用者對義肢裝置的接受情況，施皮爾斯領導了一項研究，采用受試者頭上佩戴的攝像鏡頭記錄下他們的每日行動，8名受試者都是單側(cè)截肢者或者天生肢體異常的人士。這項研究涉及多種肌電仿生手和身體動力型系統(tǒng)（通過線纜的傳遞，利用肩膀、胸部、上臂的運動，以機械方式操作義肢末端的一個機械爪）。研究進行時，施皮爾斯還是耶魯大學阿倫·多勒（Aaron Dollar）領導的專注于人工智能和互聯(lián)網(wǎng)的GRAB實驗室中的一名研究科學家。

看著研究中的原始錄影，我對于那些匿名的義肢使用者感到悲哀的同時，也產(chǎn)生一股同志情誼。錄影片段展現(xiàn)的笨拙、估計錯誤和意外跌落東西就算對于十分有經(jīng)驗的義手使用者來說，也是很熟悉的。很多情況下，義肢僅僅是幫助讓一個物件靠住身體，再由另一只手來處理。同樣明顯的是，他們要花費多少時間來讓他們的肌電義肢準備好執(zhí)行任務——常常需要多花幾秒鐘，以手動或電動方式旋轉(zhuǎn)裝置的腕部，與物件對齊，從而正確無誤地抓住物件，構(gòu)思出抓握方法。有個受試者將一瓶消毒噴霧劑掛在“鉤子”手上，另一只手擦拭廚房臺面，看起來這個人把怎么用義手都想明白了。

在研究中，所有被錄制下的操作中，平均僅有19%的操作用到了義肢裝置。一般而言，義肢大多被用于非抓握的動作，另一只“完好”的手負責大多數(shù)抓握動作。研究強調(diào)，非電動的身體動力型義肢的使用者和肌電義肢的使用者之間在使用情況上有著巨大區(qū)別。對于截肢部位在手肘以下的身體動力型義肢使用者，將近80%的義肢應用是非抓取動作——推、按、拉、吊和穩(wěn)定物件。對于肌電義肢使用者，義肢裝置只在40%的時間里被用于抓取。

更加揭露真相的是，裝有非電動抓取器或分岔鉤的身體動力型義肢使用者和更加復雜的義肢裝置的使用者相比，前者在執(zhí)行任務上花費的時間少得多。施皮爾斯和他的團隊注意到，前一類人在家中忙于執(zhí)行任務時的流暢性和速度。他們幾乎即刻就能使用人造手，甚至通過驅(qū)動系統(tǒng)的線纜感受到直接觸覺反饋。研究也揭示，肌電單夾式裝置和更先進的肌電多關節(jié)多指抓取式仿生手在使用中幾無差別——除了使用者往往會避免讓物件懸掛在多指抓取式仿生手上，這似乎是因為擔心弄壞仿生手。

“我們有種感覺，多指抓取式肌電仿生手的使用者對于仿生手的使用相當躊躇?！笔┢査拐f。這點并不奇怪，因為多數(shù)肌電仿生手的售價超過2萬美元，極少能被保險公司承保，需要頻繁的專業(yè)支持來修改抓握模式和其他設定，維修過程既花錢又費時間。隨著義肢技術變得越來越復雜和專利化，產(chǎn)品的長期可用性越來越讓人擔心。理想情況下，用戶應該能輕易地修理裝置。不過，一些義肢初創(chuàng)企業(yè)在推銷訂閱模式，用戶需要在此模式下持續(xù)地付錢，以獲取維修和支持服務。

盡管有施皮爾斯研究得出的結(jié)論，但他說，絕大多數(shù)的義肢研發(fā)仍然將重心放在完善昂貴的高科技仿生手的抓取方式上。即便在義肢之外，在非人靈長類科研和機器人學領域內(nèi)，操縱方面的研究依然壓倒性地關注抓取?！叭魏尾簧婕白ト〉难芯慷急蝗拥揭贿??！?/p>

“抓取”歷史

假如我們已經(jīng)判定，我們的手使得我們成為人類，使得人手獨一無二的因素是它的抓取能力，那么我們擁有的唯一的義肢藍圖是附著在大多數(shù)人的手腕上。然而，對最終五根手指的追求不一定是合乎邏輯的下一步。事實上，歷史表明，人類并非一直都一根筋地要完美地再創(chuàng)造出人手。

正如2001年出版的文集《書寫于手：近代早期歐洲的記憶與知識》所描述的，對于手的想法在千百年來不斷演變。亞里士多德在《論靈魂》中寫道：“靈魂猶如手一般；因為手是使用工具的工具。”他推想人類被特意賦予靈活的、能夠抓握的手，是因為唯有我們獨一無二的智慧大腦能利用這樣的手，手不僅僅是作為一種用具，更是一個理解，或者“抓取”世界的工具。

一千多年后，亞里士多德的思想讓文藝復興時期的藝術家和思想家產(chǎn)生共鳴。在列奧納多·達芬奇（Leonardo da Vinci）看來，手是大腦與世界之間的媒介，他付出異乎尋常的心血，對人手進行解剖和繪圖，弄清了人手主要的組成部分。他對前臂和手掌的肌腱與肌肉做了一絲不茍的研究，這促使他得出結(jié)論：“盡管人類的巧思匠心產(chǎn)生各種各樣的發(fā)明創(chuàng)造，但永遠不會發(fā)現(xiàn)比自然更加美麗、更加合適、更加直接的發(fā)明創(chuàng)造。因為在自然的發(fā)明創(chuàng)造中，沒有一樣東西缺失，沒有一樣東西多余。”

達芬奇的解剖圖促成當時歐洲人對人類解剖學的一時興趣。然而，盡管歐洲大師們對人手進行各種仔細的描繪，手依然更多地被視為靈感來源，而不是一個被凡夫俗子復制的物件。事實上，當時被廣泛接受的看法是，人手構(gòu)造的錯綜復雜證明了它出自神的設計?；浇陶軐W家威廉·佩利（William Paley）宣稱，沒有哪臺機器比手的屈肌“更加像人造的，或者明顯地更加如此”，間接表明上帝的故意設計。

義肢科技公司TRS制造的各種身體動力義肢附加體，用于不同的愛好和體育運動。每個附加體專門用于一個特定任務，可以輕松地更換附加體，用于各種活動

到18世紀中期時，隨著北半球出現(xiàn)的工業(yè)革命，一種更加機械論的世界觀開始出現(xiàn)，活物與機器之間的分界線開始變模糊。斯坦福大學歷史學教授杰西卡·里斯金（Jessica Riskin）在2003年文章《18世紀的事件》中寫道：“18世紀30年代到90年代期間是一段模擬時期，機械技師急切地嘗試瓦解生物與人造機械之間的間隔?！边@一時期，在義肢的設計上看到重大變化。雖然16世紀的機械義肢因為鐵和彈簧的增加而變得沉重，但1732年時的一個身體動力型義肢采用滑輪系統(tǒng)來彎曲輕質(zhì)銅制作的假手。到18世紀后期，金屬被皮革、羊皮紙和軟木替換——這些較為柔軟的材料模擬了生命的物質(zhì)。

“20世紀初的技術樂觀主義帶來義肢設計的又一次改變?！碧K黎士法醫(yī)學研究所的法醫(yī)病理學家沃爾夫·施魏策爾（Wolf Schweitzer）說道。他擁有許多種義肢，也具備測試義肢所需要的經(jīng)驗。他注意到，在將近2 000年里，解剖學上正確的義手被雕刻和鍛造出來。20世紀時身體動力型分岔鉤“更為現(xiàn)代”，它的設計更加愿意打破常規(guī)，跳出人手的窠臼。

“當人要起到生產(chǎn)線或農(nóng)業(yè)中發(fā)條裝置嵌齒輪一樣的作用，身體動力型手臂——在它的象征主義方面——表達1920年代工業(yè)社會的人-機器象征主義?！笔┪翰郀栐谒牟┛臀恼轮袑懙?。在1920年代的霍斯默鉤原始設計中，鉤子內(nèi)放置的一個環(huán)是為了系鞋帶和拿香煙。施皮爾斯告訴我，那些設計“擁有讓人難以置信的功能性，將功能擺在外形的前面。所有部件都為特定用途服務?！?/p>

施魏策爾認為，隨著20世紀對于體力勞動的需求下降，具備高度功能性、但不夠自然的義肢被一種新穎的高科技未來愿景——仿生手——超越。2006年，美國國防部高等研究計劃局發(fā)起“革命性義肢”研究倡議，開發(fā)下一代擁有“接近自然”控制的義肢手臂。這個1億美元的項目產(chǎn)生了兩個多關節(jié)義肢手臂，一個用于研究，另一個的成本超過5萬美元。更為重要的是，它影響了其他相似義肢的誕生，確立仿生手——正如軍方所想象的——在義肢領域至高無上的地位?，F(xiàn)在，多指抓取的仿生手占據(jù)支配地位，成為賽博格完整性的象征。

然而，一些義肢開發(fā)商在追求不一樣的愿景。以科羅拉多州博爾德為基地的TRS公司是生產(chǎn)用于特定活動的義肢附加體的少數(shù)幾家制造商之一。那些附加體往往比機器人義肢更加耐用，帶來的經(jīng)濟負擔沒那么沉重。這些塑料和硅膠材質(zhì)的附加體——包括一個用來做俯臥撐、蘑菇形狀、軟乎乎的裝置，一個用來提起重物的棘爪夾鉗，一個用于游泳的凹面鰭——已經(jīng)幫助我體驗到我依靠義肢手臂獲得過的最出色的功能性。

這些低科技水平的活動用義肢和身體動力型義肢的表現(xiàn)驚人地出色，而它們的成本僅占仿生手的極小一部分。它們的外形或行為都不像人手，而它們的功能大大改善。根據(jù)施魏策爾的說法，身體動力型義肢經(jīng)常被工程師嗤之以鼻，被貶低為“奧術”，或者被嘲笑地稱為“船長鉤子”。未來的仿生肩膀和手肘也許會對那些失去整條手臂直至肩膀位置的人的生活帶來巨大影響，只要那些裝置制造得強健可靠，價格上讓用戶能夠承受。但對于施魏策爾以及很大比例的對肌電義肢不滿意的使用者而言，義肢產(chǎn)業(yè)有待提供根本上比身體動力型義肢更優(yōu)良、更低廉的產(chǎn)品。

我們想要的突破

仿生手試圖讓殘疾人變得“完整”，讓我們參與到一個在文化上是兩手健全的世界。但是，更為重要的是，我們能過上我們想要的生活，獲取我們需要的工具，而不是讓我們看上去和其他人沒有差別。盡管許多前肢異常的人士已經(jīng)用仿生手與世界互動，表達他們自身，但幾百年之久的完善仿生手的努力極少集中于我們的生活體驗，我們想在生活中做什么事。

到現(xiàn)在將近100年里，我們一次次獲得許諾，說義肢技術上會出現(xiàn)突破。我聯(lián)想起圍繞著實驗室培育肉的科學興奮，這看著像一次爆炸性的轉(zhuǎn)變，但卻是智識投降的標志。在這種轉(zhuǎn)變中，政治和文化的改變遭到忽視，取而代之的是技術上的修正。義肢世界里的醫(yī)生、保險公司、工程師、義肢技師和軍方，扮演著幾十年以來一樣的角色，所以幾乎不可能生產(chǎn)出一些真正變革性的東西。

與此同時，這場隱喻性的“登月競賽”是一個已經(jīng)忘記初衷的任務：幫助殘疾人獲取和使用他們想要的工具。眼下有價格不昂貴、方便獲取、低科技水平的義肢，它們需要創(chuàng)新的投資，以便進一步降低成本，改善功能性。至少在美國，有一個破碎的、需要修補的保險體系。讓我們從這場仿生手軍備競賽中獲得解脫，就能開放更多可能性，迎來更具功能性的設計方案，讓那些產(chǎn)品更加派得上用場，價格上更容易承受，也許才能幫助我們將義肢愿景從高不可攀的天空重新拉回到地面上。

資料來源 IEEE Spectrum