腦機通信神經義肢技術：打造成可控機器人“小強”

腦機通信神經義肢技術：打造成可控機器人“小強”

進入到二十一世紀，神經義肢技術得到了飛速發展，那什么是“神經義肢技術”呢？熟悉星球大戰的科幻粉一定還記得，天行者盧克的手臂被黑暗武士砍下后安裝的機械手臂，機械手臂可以像正常手臂一樣和手臂上殘存的神經纖維進行通信。

在現實世界中，有很多人由于脊髓受損而癱瘓在床，但是他們的四肢上的肌肉仍然是正常的，只是由于中間傳輸信號的神經中斷，導致大腦發出的“我想動一動”的信號沒能發送到四肢的肌肉中。

好了，回到神經義肢技術的概念。如果有一個能夠“讀出”來自大腦的控制信號，并用它來刺激肌肉或肢體的機器人，這就是神經義肢。事實上，早在2008年匹茨堡的研究小組就是用這種技術訓練在大腦中植入電極的猴子控制機械臂喂食以養活自己！

當然，還有我們熟悉的人工耳蝸，通過對神經施加脈沖電刺激以讓大腦產生與真實聲音類似的效果，讓失聰患者重新聽到聲音，截止目前已有幾十萬的失聰患者從中受益。

這個“Backyard Brains”怪咖團隊由密歇根大學的一群畢業生組成，其組建的目的是為了向學生提供神經科學教學和普及工作，讓原本存在于實驗室的神圣之物進入到大學、中學甚至小學的教室中，當然不只是像我們小時候接觸的“蛙跳反射”實驗那么簡單，而是探究神經網絡與電信號之間的關系，今天主要介紹的“賽博小強”則是其中的一個耗時不到兩個小時的小實驗。

熟悉電子硬件或Arduino的朋友可以發現這套硬件主要由兩部分組成：一個是與手機通信的低功耗藍牙芯片，另一個則是與小強“通信”的天線，外加一些LED等元件和一塊鋰電池。天線的頂部是比頭發絲還要細的0.003″銀線，其與小強觸角的神經纖維接觸。三根天線除兩根接小強的兩個觸角以控制方向外，剩下的一根則要接地形成回路。

其實，在這之前已有很多大學和研究機構取得了顯著的成果：康奈爾大學研究機構能夠識別出控制蛾子飛行的各種信號，亞利桑那州立大學建造了一個由蛾子神經系統控制的機器人，伯克利研究員實現了控制象鼻蟲的飛行。

用昆蟲大腦控制的小車

遙控象鼻蟲飛行

說了這么多，為什么用小強呢？

其實最為重要的是，小強遍地都是，尤其在溫熱潮濕的南方，并且很多人將小強作為寵物來飼養，其次就是生命力非常強，飼養簡單，最后呢，就是他們能夠背負二十倍于自身體重的物體，畢竟這里用到的電路板比較初級笨重。

**左邊為成年小強，右側為改裝后的“賽博小強” **

“賽博小強”究竟是如何實現的？

就像很多昆蟲一樣，小強在頭部也有兩根觸須，其作用是通過觸覺和味覺為小強進行導航。

當突觸感受到刺激后，將信號通過神經纖維向上傳遞給大腦。

當大腦接收到信號后，感受到危險接近時則迅速反應逃跑，這也是為什么當你突然開門時，門后的小強迅速四散奔逃的原因。

上面提到的比頭發絲還細的兩根銀線就是要與觸須頂端的神經末梢接觸，這樣，控制器產生的電脈沖信號才能由神經纖維傳遞到小強的大腦中，以達到控制小強的目的。

這與當今世界各地大學和醫院正在進行的神經工程是十分相似的，目前治療帕金森氏病史就是用55Hz的電脈沖信號刺激丘腦底核。

好了，原理明白后，開始給小強做手術吧！

第一步：手術臺。

雖然我們即將面對的是打不死的小強，但是為了提供成功率，一個完（jian）備（lou）的手術臺還是需要的：案板、冰塊、膠槍、鑷子、剪刀等。

第二步：將電極固定在小強上

冰凍將小強麻醉

為了避免小強在手術過程中活蹦亂跳，不小心扭斷胳膊腿的，手術前首先要將其麻醉，雖然沒有特效藥，但是小強作為冷血動物還是有特別的辦法。低溫會導致冷血動物降低新陳代謝從而進入“睡眠”狀態，達到麻醉的目的。在冰塊中放置2-5分鐘，當觀察到小強停止移動并且觸碰腿時沒有任何反應，則說明進入到了睡眠狀態。

一旦完全進入睡眠狀態后，小心的將小強從冰塊中取出放在手術臺上，然后用砂紙輕輕的打磨背面堅硬的蠟質外殼直至粗糙到能夠用膠水固定牢。

用膠水將電極接頭固定在外殼上。

第三步：固定地線

這里唯一需要注意的是，小強也有“脊髓”！打空時別破壞各種神經纖維和器官即可。

第四步：連接電極

這一步是整個手術過程中最為關鍵的一部，如果剪錯位置或接觸不良，恐怕只能再重新找只小強了。

在小強觸須3-6mm的位置剪斷將銀線插到觸須中，然后用膠槍固定。

多余的線用膠槍固定在頂部。

完成之后就可以把它放回飼養箱，就這樣隨取隨用，隨時聽后召喚的“賽博小強”完成了一大半。

第五步：安裝接收器

最后，將接收器與電極接口固定，“賽博小強”就完成了，并且還能用手機控制。

雖然整個過程看起來有些“殘忍”，但對于向大學生或中學生普及神經系統和生物知識，小強不失為一個物美價廉的研究樣本。