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格尔•斯派蒂克（Igor Spetic）戴上眼罩和降噪耳机，摸索到他面前的碗里，伸手进去摸到了一个樱桃的茎，并顺势拿起了樱桃。他用的是左手，他自己的手。而他的右手是由塑料和金属制成的假肢，这是因为他经历过一次工业事故。斯派蒂克是我们在路易•斯托克•克利夫兰退伍军人医疗中心（Louis Stokes Cleveland Veterans Affairs Medical Center）的研究志愿者，他多年来一直使用这种“肌电”设备，通过弯曲右臂肌肉来控制它。这种标准化假肢只能为截肢者提供大致的控制。在我们面前，斯派蒂克用他假肢的拇指和食指抓住了樱桃，这样他可以拔掉樱桃的茎。但樱桃却被他的手指捏破了。¶接下来，我和我的同事打开了触觉系统，这是我们和合作伙伴在凯斯西储大学的功能性神经接口实验室开发的，这个实验室也在克利夫兰。此前，外科医生J•罗伯特•安德森（J. RobertAnderson）和迈克尔•基斯（Michael Keith）已经在斯派蒂克的右前臂植入了电极，现在，电极在20个位置与3根神经进行着接触。刺激不同的神经纤维会产生真实的感觉，斯派蒂克会把这种感觉当作是来自他已失去的右手的：当我们刺激一个位置，他感觉到的是他的右手掌受到触碰；而另一个位置会让他的拇指产生感觉，等等。
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为了测试这种感觉是否会使斯派蒂克对他的假手有更好的控制，我们把薄膜力传感器放在了设备的食指、中指和拇指上，并利用来自这些传感器的信号来触发相应的神经刺激。我们再次看着斯派蒂克抓起另一个樱桃。这一次，他动作轻柔，在拔掉茎时丝毫没有损坏水果。
在我们的试验中，当触觉系统开启时，他完成这个任务的成功率为93%，而关闭触觉系统时成功率只有43%。更重要的是，斯派蒂克报告说，他感觉就好像是自己抓着樱桃，而不是利用工具来抓住它。他说，只要我们开启刺激系统，“这就是我的手”。
最终，我们希望设计出一种与失去的手一样功能强大的假肢。我们的目标是尽量使斯派蒂克忘记自己失去了一只手，哪怕只是瞬间忘记也好。眼下，我们的触觉系统还处于早期阶段，只能在实验室中使用：斯派蒂克的手臂外侧仍然有电线伸出，这些电线在试验过程中被连接到我们的电脑上，使我们能够控制刺激模式。不过，断肢的人能够在几个星期的时间里用假肢感受到各种逼真的感觉，这还是第一次。现在，我们正在开发一个完全植入式系统，希望能够在5年内进行临床试验。
为假肢增加触觉有什么用处呢？目前，装有假肢的人通常只能利用假肢进行不需要精确动作的任务，如支撑和抓握。我们的触觉系统所反馈的知觉将提高操控者的控制能力和信心，使假肢更好地应用于日常生活的许多小任务。
除此之外，我们希望恢复人类接触感这一最基本的感官形式。想象一下失去触觉的感受吧——触觉能够给予我们与他人相关联的深刻感受。当我们询问斯派蒂克和其他假肢佩戴者想要如何改进他们的机械假肢时，他们全都说希望能够握着心爱之人的手并真正感觉到它。我们的技术有一天会实现这个非常人性化的目标。
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我的整个职业生涯都在研究人类与机器的结合。我在生物医学工程和神经工程的交叉学科方面的工作驱使我寻求一些基本问题的答案：电子电路如何以神经系统能够理解的方式与之对话？我们如何利用这种方式来让失去一只手的人恢复各种感觉？以及如何利用该技术来提升并丰富其他人的生活？
在过去的几十年里，该领域取得了显著的进展，包括开发出可以植入大脑或身体的更好的硬件，以及可以理解并模仿天然神经编码的更好的软件。在天然神经编码方式中，神经系统的电脉冲会在脑细胞之间或沿着整个身体内的神经元传递信息。这些信号会驱动身体的执行器，如肌肉，并且以感觉、四肢定位、肌肉力量等形式提供反馈。
通过直接在肌肉中插入电极或将电极包围在控制肌肉收缩的神经周围，我们可以向那些电极发送指令，基本复制与移动手、站起身或举起脚等动作相关联的信号。在美国退伍军人事务部（Department of Veterans Affairs）和美国国防部高级研究计划局（DARPA）的手本体感与触摸接口（HAPTIX）项目的资助下，最近的工作旨在了解和恢复知觉系统。
我们的触觉接口工作刚好包含在这两个新项目中，但我们的工作重点是恢复失去的肢体与大脑间的感觉信号。设计这样的接口是有难度的，因为它必须要对人的末梢神经进行精确的刺激，而不损坏或以其他方式改变神经。它也必须能够在身体的苛刻环境中可靠地工作多年。
设计植入接口有几种方法。创伤程度最小的方法是在目标神经进入肌肉处的附近植入电极。这样的系统已被用于脊髓损伤、中风以及其他形式的神经损伤的功能恢复中。人体对电极的耐受力很好，并且手术替换也相对容易。不过，当电极需要激活肌肉时，它通常需要高达20毫安的电流，大约相当于你摩擦地毯时被“电”一下；即使这样，肌肉也并不总是能被完全激活。
最具侵入性的方法是在神经深处插入电极，将刺激触点放置在与目标轴突——传导电脉冲的神经细胞——非常近的地方。这意味着所需的电流更少，而且可以选择性地激活非常少的一部分轴突。但是，身体往往会排斥放置在神经保护层内的异物。在动物实验中，一般的发炎过程常常会将这些电极推出神经。
介于这两种方法之间的，是环绕神经的系统，即将电触点放在神经的表面上。只刺激一条神经单一位置的简单系统已经商用化，用来治疗癫痫，并帮助中风病人说话和吞咽。更复杂的、多通道版的系统已经在临床试验中被可靠地使用了近10年，用于恢复脊髓损伤后的上肢和下肢功能。
90年代末期以来，我的团队一直致力于这种环绕电极（也被称为神经套）的研究。我们早期解决的一个问题是，如何在不真正穿过神经的情况下，增加对神经的接触。传统电极套的表面积小，而且圆筒状也不适合这项任务。因此，我们将神经套扁平化，以便它能适应神经的长方形横截面。
2014年，我们推出了最新版本的扁平神经套，它有8个接触点，每个都连接到不同的刺激通道。到目前为止，我们已经将八通道神经套植入到很多受试者体内。拿樱桃的志愿者斯派蒂克的正中神经和尺神经周围放置了扁平电极套，这是手臂上3条主要神经中的2条。他的桡神经周围放置了一个传统的圆形电极。这就在他的前臂上提供了总共20个刺激通道：正中神经和尺神经各有8个，桡神经有4个。
当斯派蒂克第一次测试我们的系统时，我们并不知道这些通道是否真的会被转化为不同的感觉或不同的位置。我们忐忑地开启了系统，激活了斯派蒂克正中神经上的一个接触点。他说：“哇！这是我的拇指尖。这是我自受伤以来第一次感觉到了我的手。”这就是研究者翘首以盼的时刻。
进一步的测试显示，我们的20个刺激点让斯派蒂克断手上的19个位置产生了知觉，其中包括他的手掌、手背、手腕、拇指和指尖的左右两侧。
我们的下一代神经套会将接触点的数量增加3倍。通道越多，我们就越能有选择性地访问少量的轴突，并提供更有用的知觉。除了触觉，我们希望制造温度、关节定位（被称为本体），甚至是疼痛的感觉。尽管疼痛有负面内涵，但它是一种重要的保护机制。在我们的测试中，一个刺激通道确实引起了疼痛感。最终，我们希望包括这样的保护机制。
现在，我们正在探索其他通道，并继续与斯派蒂克合作。他自2012年5月就植入了系统，现在仍然运作良好。他说，当系统关闭时，他甚至意识不到他的身体里有植入物。
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当然，触发基本的感觉是一回事；控制这种感觉又是另一回事。它类似于说话：你需要发出声音，但这种声音必须以特定的模式发出并作为语言被解读出来，才能让人理解。在我们的第一次实验中，我们用规律的脉冲以恒定的强度刺激神经。这种有规律的刺激会产生一种刺痛感，被称为皮肤感觉异常——就是脚麻的针刺感。因此我们制造的是声音，而不是话语。
当神经系统运作正常时，这类规律的电脉冲并不是神经系统的合理指令：只有在癫痫发作等不正常的活动期间，我们才观察到了这类脉冲。我们认为，这种刺激会导致几百个神经元同时作用，形成被大脑解释为刺痛感的不寻常信号。
在随后的实验中，我们改变了经神经通向大脑的电脉冲模式。我们试着改变脉冲的时间以及脉冲对的序列。这些测试都没有什么显著效果。因为变量太多，要想了解脉冲模式的改变会如何影响斯派蒂克的感觉是困难且耗时的。
为了推进实验，我最后开始在自己身上测试多个模式。利用一种临床的、非侵入性的神经刺激系统，一名小组成员将电极放在我的手指上，激活表层神经。然后，我让我的学生用各种模式来“电”我。我们发现，以波浪的模式改变脉冲强度，以1秒钟为周期先增加再降低强度，刺痛感会转变为更自然的压力感——就好像有什么东西在挤压我的手指。
之后，我们就准备好在斯派蒂克身上实验这种模式了。随着刺激的开始，他疑惑了一会儿，然后他把自身的手指放在了脖子上。他说：“我不觉得刺痛了。这是一种脉冲压力，就像我把手指放在脖子上感受到的脉搏一样。”通过一点点调整，我们消除了脉冲，他报告说，感觉到了自然的触感，“就像有人用手指碰我的手”。
我们认为，脉冲越弱，激活的神经元就越少，而较强的脉冲会使更多的神经元被激活。不同神经元激活率的变化是大脑能够理解的神经编码的一部分。如果我们应用的模式类似于大脑已知的模式，它就会根据其经验解释感觉：实际上，大脑会说，好，这就是触摸。
我们现在正在研究更为复杂的模式是如何产生更细致的知觉的。到目前为止，斯派蒂克报告过像维可牢尼龙搭扣和砂纸的纹理感，以及物体移动、摆动和拍打皮肤的感觉。更重要的是，斯派蒂克能够以精确的方式操纵物体，这是之前他无法做到的。他不再需要仅仅依赖视觉来判断假肢的操作情况了。而相比于没有触觉系统的存在时，他使用假肢更有信心了。
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那么，这些知识将如何帮助别人呢？我们与美敦力公司以及劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的合作伙伴开展合作，制造出了配有先进的拟人化触觉假肢的完全植入式刺激系统。该项目旨在3年内制造出可用的装置，以便在我们5年合同的最后一年进行临床试验。
要制造一个在实验室外工作的复杂神经刺激装置并不容易。假肢需要持续监视其内部数百个触觉和定位传感器，并将这一信息反馈到植入刺激器中，然后刺激器必须把这些数据转换成神经代码，应用在手臂的神经上。同时，通过记录残肢上最多16块肌肉的活动，我们的系统将确定使用者移动假肢的意图。这一信息将被解码，无线发送到身体之外，并转换为电机驱动指令移动假肢。总体上，系统将有96个刺激通道和16个记录通道，这些通道需要进行协调以产生动作和感觉。而这一切活动都必须在最低时延内完成。
在完善我们的系统时，我们也在努力探寻最佳的接触点数量。例如，假设我们用3个扁平状的电极套，每个有32个接触点，那么我们就可以在整只手上提供96个接触点。要想让使用者具有最佳的功能和感觉，需要多少通道呢？这些通道之间的信息如何协调并解读呢？
要制造一台不依赖外部计算机的独立设备，我们需要能插入假肢的微型处理器，以此来与植入物通信，并向电极套发送刺激。植入的电子设备必须足够强健，能在人体内支撑数年，并且必须内部供电，无须电线伸出皮肤。我们还需要制定假肢和植入处理器之间的通信协议。
这是一项艰巨的工程挑战，但是当我们取得成功时，这种触觉技术将不仅造福于假肢使用者，这样的接口还可以让人们以前所未有的方式触摸物品。想象一下，一名产科医生能够感觉胎儿的心跳，而不是仅仅依靠多普勒成像。想象一下，一名拆弹专家可感触到炸弹内的导线，而实际上这个动作是由一个遥控机器人所执行的。想象一下，一个地质学家能感知几千公里以外的岩石的重量和质感；一名销售人员可以远程与一个新客户握手。
这样的情景在未来10年内可能会成为现实。感觉告诉我们，什么是我们身体的一部分，什么不是。通过将感觉扩展到机器，我们将扩展人类的触觉——即使那种触觉只是像牵着心上人之手那么单纯。
作者： Dustin J. Tyler
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