科学研究：假肢能像手一样感知温度

　　

　　截肢者希望通过义肢体验人类触觉的愿望正变得越来越接近现实。现在，一项新技术使它们能够感知温度——即使是在不再是身体一部分的肢体上。

　　人类首次在功能性假肢上安装了指尖传感器，使普通的假手能够像一只活生生的手一样感知温度并做出反应。该设备通过向被截肢者残肢上的神经区域传递热信息，为失去的“幻手”提供一种真实的冷热感觉，大脑认为这些神经区域仍与失去的手相连。上周五发表在《Med》杂志上的一项研究描述了MiniTouch，它是由价格合理的现成电子产品制成的，不需要手术，可以在几个小时内安装到现有的商业假肢上。

　　“有了这些新技术，我可以更好地理解我触摸的东西，”57岁的法布里齐奥·菲达蒂(Fabrizio Fidati)说，他的手臂在肘部以下被截肢了37年，最近他测试了这个设备。“当然，我的首要任务是在厨房里用它做饭!”

　　感知冷热温度的能力是假肢功能的一个重要进步，但它还有更多。温度为触摸增添了人为因素。感受到温暖会产生一种更强烈的化身感，让人相信假肢不仅仅是一种人造工具，而是人身体的一部分。

　　“我们有一位同事说，没有温度的触觉就像没有颜色的视觉，”资深作者、瑞士洛桑联邦理工学院的神经工程师索莱曼·肖库尔说。Shokur指出，研究人员正在提高假肢感知纹理的能力。他们还专注于本体感觉，即大脑知道身体部位在哪里以及如何运动的能力。他指出，温度是一种重要的第三感觉。他说:“下一步是把它们都放在一起，这样你就有了完整的味觉感觉。”

　　在2023年5月，同样的研究人员发表了一项研究，揭示了当他们把热电极放在截肢者的残臂上，然后通过触摸带有传感器的热或冷物体来刺激他们时，受试者认为他们正在经历他们失去的手的热或冷的温度触摸。产生这些虚幻热感觉的皮肤小区域在截肢者中是不同的，这表明在截肢过程中被切断的神经仍然存在于手臂皮肤的不同位置。当这块皮肤受到热的或冷的物体的刺激时，它会通过这条通道向大脑发送信号，这些信号过去是由手发出的，导致截肢者在失去的那只手上感受到那些感觉。

　　来自罗马的罗伯托·伦达(Roberto Renda)在完成了与2023年研究相关的一次试验后表示:“这是20年来我第一次能用我的幻手真正感受到另一个人的温暖。”“这就像和某人建立了联系。当我牵着孩子的手走在街上时，我希望能感受到他们的双手。那太好了。”

　　在最初的研究中，27个人中有17个人经历了这些虚幻的热感觉，这是MiniTouch系统可行性的关键。MiniTouch是一种薄而可穿戴的传感器，可以很容易地套在现有的假肢手指上，并与残肢皮肤上的点相连，这些点可以产生感觉，就像在失去的那只手上一样。虽然2023年的研究表明传感器可以帮助截肢者检测温度，但目前的研究是第一次将其用于功能性假肢。

　　意大利比萨圣安娜高等研究学院的生物机器人博士候选人弗朗西斯科·伊比利亚(Francesco Iberite)最近对该系统进行了一些实际测试。他解释说:“这些实验总是让实验对象以一种积极的方式探索周围的世界，在没有任何训练的情况下自由地触摸物体并解释事物，这与用一只天然的手所发生的事情非常接近。”

　　菲达蒂自愿在他现有的假肢上测试该系统。研究人员给他三个相同的瓶子，分别装着冷水(53华氏度)、冷水(75华氏度)和热水(104华氏度)。如果没有这个装置，他分辨瓶子的准确率只有33%。使用MiniTouch，法布里齐奥的准确率达到了100%。

　　接下来，Fidati的任务是对经过不同温度加热或冷却的相同金属立方体进行分类——使用温度敏感的假肢大大提高了他的成功率。事实上，菲达蒂报告说，他的幻手对冷热的感觉实际上比他的真手更强烈。

　　最后，研究小组测试了被蒙住眼睛的Fidati判断自己触摸的是另一只假手还是伊比利亚的手的能力。人类手的温暖使菲达蒂能够更频繁地识别它，尽管他的成功仍然低于他没有受伤的手臂的能力。作者认为，包括纹理和柔软度在内的其他输入可能会提高这种能力。这个实验说明，温度虽然很重要，但它只是人类触觉感官的一部分，有望被植入更接近人类手的假肢中。

　　假肢已经取得了长足的进步。这些装置已经存在了数千年，用于美容和功能性目的，取得了不同程度的成功。在一个古埃及的墓室里，人们发现了一个女人的遗骸，她的脚上有一个被称为“开罗脚趾”的木制皮革制品，这是一个精心制作的假肢，3000年前，人们煞费苦心地把它装在了她的脚上。大约在公元前300年，“卡普阿之腿”是为一位住在今天意大利那不勒斯北部的主人用木头和青铜制成的。到三十年战争(1618-1648)时，人们已经装备了铁手——为了提供功能，电缆、弹簧和其他手段被用来帮助四肢弯曲，或者帮助手指抓住物体，尽管不完美。

　　今天，全世界有数千万人截肢，科学家和生物医学工程师正在不断改进这些患者的假肢。大多数恢复截肢者感觉的项目都包括在体内植入物，这有好处，但也会产生一些障碍。手术是侵入性的，手术过程和先进的设备都很昂贵。MiniTouch传感器则不是这样，它可以在几个小时内简单地集成到现有的假肢上，并依赖于广泛可用的消费级技术。“手机之所以如此便宜，是因为它们的技术可以大规模复制。这与我们的传感器完全相同，这是整个过程中唯一定制的部分，”伊比利亚说。

　　匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的生物医学工程师李·费希尔(Lee Fisher)没有参与这项研究，他说，为假肢增加触觉的努力通常集中在压力等触觉上。他说:“电刺激产生类似温度的感觉不太常见，这非常重要，因为我们与世界互动的很多方式都是通过这种温度感。”

　　例如，我们可以区分金属和塑料等材料，不是通过它们的触感，而是通过它们的温度。人类的皮肤缺乏对水分的特殊感受器，因此也主要通过液体如何将温度从皮肤上传导出去来判断物体是否潮湿。

　　但感知温度不仅仅是提高假肢的性能。“作为工程师，我们一开始是从纯粹的功能角度出发，”肖库尔说。像Renda这样的证词很快为这项研究增添了另一个方面。“它更无形，更难以测量，但我们正在努力研究触摸的社会方面。”

　　费舍尔的研究小组最近在脊髓附近植入电极，帮助佩戴假肢的截肢者恢复失去的脚的感觉。他说，触觉的情感成分很强。“这是我们与其他人互动的一部分，也是我们如何将自己的肢体识别为自己的一部分，”他说。“我们希望通过这些方法，让假肢感觉更像是身体的一部分，而不是人们佩戴的工具。”

　　对意大利博洛尼亚的弗朗西斯卡·罗西(Francesca Rossi)来说，这种体验已经开始成为现实。罗西是另一名截肢者，她参加了2023年的研究，并在她失去的那只手上感受到了温度。

　　她说:“感受温度的变化是另一回事，是一件重要的事情……一件美丽的事情。”“不再有幻觉的感觉，因为你的肢体恢复了。”

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