人体增强技术获重大突破,可改变大脑对手的感知方式

科技工作者之家 06月07日

如果多出来一根拇指,你会用它做什么?

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放心,不是手指畸形也不是什么遗传病,这是伦敦大学学院(UCL)的一项最新研究,将机械手拇指安装在手上,称为“Third Thumb”第三拇指。(貌似叫做 “第六根手指”更加贴切)

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多了这根拇指之后能做什么呢?

来试试单手拧瓶盖:

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抓牌码牌,有六指轩辕那味了:

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单手穿针引线:

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戴上机械手指弹吉他也太酷了吧!

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“第三拇指”除了能够拓展人体机能外,更大的贡献表现在【大脑如何适应这种外来设备】上,UCL的研究人员表示:使用机器人“第三拇指”可以改变手在大脑中的表现方式。


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增强型技术的反思:人们如何适应“外来”四肢

近年来,“第三只手”、“第三条腿”等身体增强型设备陆续出现,对人类的功能和能力进行扩展、补充、替代或增强,赋予或替代人类的四肢力量。


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“在使用身体增强型设备时,人们是否真的能适应它呢?”

UCL的一个神经科学家团队提出了这样的问题,“我们对大脑如何适应增强型技术知之甚少,人脑能否支持‘外来’部分,这种技术如何影响我们的大脑?”

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“第三拇指”的研究揭露了这个问题,它首次被公布是在三年前,一位名叫DaniClode的伦敦设计师首次向世界介绍了该设备,探索围绕身体增强的未来主义思想。

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“第三拇指” 由3D 打印制作,佩戴在与用户实际拇指相对的一侧,靠近小指。嵌入数据的手套柔性传感器可以很好的追踪手部动作,该传感器具有19个自由度,能够测量手指的掌指骨(MCP),近端指间关节(PIP)和远端指间关节的关节角度。


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佩戴者通过安装在大脚趾下方的压力传感器来控制它。通过无线连接到拇指,两个脚趾传感器通过立即响应佩戴者压力的细微变化来控制拇指的不同运动。

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最初,要启动“拇指运动,用户需要踩下压力感应器。这种控制方式有点奇怪,但事实上,很多假肢都采用了这种方式,控制它其实并不容易,你需要搞清楚不同的任务需要对应多大的压力。 

与此同时,UCL的神经科学家团队正在研究人脑如何适应这种增强型技术的操作,他们在新闻中看到了“第三拇指”,认为这是一个完美的设备,可以纳入他们的研究中,并立即与Clode取得了联系。 

UCL的人机合一实验——“感觉像是自己身体的一部分”

为了研究人的大脑如何适应这种增强型技术,UCL的研究人员利用“第三拇指”进行了一项“人机合一”实验。

他们招募了20名“第三拇指”的受试者,每人在实验室里花了5天时间训练使用“第三拇指”,完成一套单手执行的任务,比如单手搭积木、一只手拿起多个球或酒杯等,还要每天晚上把设备带回家,每天共尝试使用2到6个小时。


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受试者很快就掌握了如何使用“第三拇指”,甚至可以一心多用:一边做数学题的同时,一边用增强手指搭起一座木块塔。

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他们说:“感觉设备像是自己身体的一部分”,就算把眼睛蒙上也可以运用自如。

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此外,还招募了一个由10名参与者组成的“空白对照组”。他们完成了同样的五天训练方案,但只使用正常的五根手指来完成训练任务,不使用增强拇指。 

在研究开始和结束时,所有参与者都接受了核磁共振扫描,以追踪他们在移动手指时的大脑活动。 

结果惊人的发现,在使用“第三拇指”的短短五天后,受试者大脑感觉运动皮层的活动发生了显著变化,尤其是负责手部表现的区域。正常来说,大脑对五根手指中的每一根都有不同的感受区;而使用了“第三拇指”后,对应于每个手指的大脑活动模式变得几乎相同。

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与每个手指相关的大脑活动已经变得不那么明显,这意味着感觉运动皮层中的手部神经表征已经减少,使用“第三拇指”不仅会改变生物手的运动控制,而且还会影响生物手在大脑中的表现方式,这是人类与增强型设备最佳合作的运动适应结果。

广泛应用增强型技术之前,需要进一步探索

UCL的研究是第一个在实验室外,长时间训练中进行增强技术的研究,研究表明人们可以迅速学习控制增强设备,而大脑可以很快适应这种变化。

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一周后,受试者再次接受大脑扫描,他们大脑手部区域的变化已经消退,这表明这些变化可能不是长期的,需要更多的研究来证实这一点。


这项研究发表在《Science Robotics》的最近一刊上,在文章的最后,作者声明“人机集成可能会对身体表现和运动控制的关键方面产生直接影响,无论是自适应还是不适应,在这项技术被广泛实施之前,还需要进一步理解和探索。


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参考文献

[1]https://robotics.sciencemag.org/content/6/54/eabd7935https://techxplore.com/news/2021-05-robotic-thumb-brain-representation.html

来源:Guokr42 果壳

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MTg1MjI3MzY2MQ==&mid=2651825968&idx=4&sn=f64527bd2036ad70eb1b292bedbba4d1

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