仿生手的军备竞赛

编译 高斯寒

本文作者布里特·杨（Britt Young）手持她的奥托博克公司生产的iLimb仿生手臂

在儒勒·凡尔纳（Jules Verne）于1865年问世的长篇小说《从地球到月球》中，虚构的巴尔的摩大炮俱乐部的成员——都是经历过美国内战的伤残老兵——无法安宁地搜寻一个可以攻克的新敌人。他们在战争中创造出更致命的新武器。等到战争结束时，四个人之中没一条完整的手臂，六个人中只有两条腿，这些自学成才的截肢者兼武器制造师决定为他们的手艺重新寻找一个用途，去发明一种新式的抛射物——火箭飞船。

巴尔的摩大炮俱乐部驱策自身飞往月球的故事展现了老兵不寻常的男性力量，他们不只是“克服”自己的残疾，他们更是从残疾中获取力量和雄心。他们的“拐杖、木腿、假手臂、钢钩子、橡胶下颚、银质头盖骨和铂金鼻子”在他们的人格中并不起主导作用——它们仅仅是他们身躯上的工具。这些残疾人不太可能成为发明事业的“十字军战士”，他们的使命甚至更加不可能实现。然而，谁能比这些本身被技术再造过的男人更好地设计出技术的下一个大飞跃？

正如凡尔纳所知的，美国内战（期间一共实施了6万起截肢手术）开启了美国的现代义肢时代，这多亏了联邦补助金和创业中的义肢师递交的众多设计专利。两场世界大战巩固了美国和西欧的营利性义肢产业，目前进行中的反恐战争帮助推动了义肢产业，使其成为全球范围内规模达到60亿美元的大产业。然而，近些年的投资并非军事冲突中截肢数量带来的结果：大约只有1 500名美国军人和300名英国军人在伊拉克和阿富汗战场断肢。一般人群中丧失上下肢的人数会让上述的数量相形见绌。单单在美国，就有超过200万人忍受着肢体丧失，每年有18.5万人接受截肢手术。一个小得多的子集——每年有1 500到4 500个婴儿——出生时就伴有肢体异常或肢体缺失，我自己也包括在内。

如今，义肢的设计者往往是有良好意图的工程师，而不是截肢者本人。对于这些设计师的高科技、超人类未来的梦想，世间的残肢充当起了展示馆。我知道这点，因为在我的一生中，我曾经被装配过一些市面上最为前沿的义肢装置。我出生时就缺少左前臂，我是美国首批装上肌电义手的婴儿之一。肌电义手这种电动装置由佩戴者的肌肉控制，肌肉的拉紧会被义肢承窝内的传感器感测到。从那时起，我已经装过许多种义手，它们中的每一种都努力实现人手的完美逼真度——有时以美学为代价，有时以功能为代价，但都是旨在模仿和取代缺少的部分。

在我从小到大的岁月里，肌电义手已经从爪子一般的构造发展到多指抓取式，可编程，在结构上精确模拟人手，大多数要耗费数万美元。记者们爱死了这些精密复杂、能够多指抓取、拥有逼真硅胶皮肤、动作像有机生命的“仿生”手，还有一个尚未明说的允诺——残疾不久后就会消失，任何丧失的肢体或器官都会被替换上一个同等性能的复制品。义手创新被视作一场押下大赌注的竞赛，为的是看看在技术上可以实现什么。义肢初创企业“原子肢体”的首席执行官泰勒·海斯（Tyler Hayes）在募资平台WeFunder上的一个视频里这么说：“历史上的每一个不太可能实现的项目开始时都有相当大的疯狂成分，从电的诞生到太空旅行都是如此，原子肢体没啥不同。”这个视频帮助该公司从投资者处募集到720万美元。

我们被困在一场仿生手“军备竞赛”中。但我们是否正在取得真正的进步？是时候问一下，义肢是为了谁而生，我们希望它们实际地实现什么目标。每个新式多指抓取仿生手往往愈加精密复杂，也比上一款产品更加昂贵，越不可能被保险覆盖（甚至连部分覆盖都不可能）。正如近期的研究所总结的，便宜不少、远远没那么昂贵的义肢装置能同样出色地执行许多任务，而高档的仿生手——尽管有各种电动选项——却极少被用来抓取东西。

功能或外形

在最近几十年里，新式人造手的研究开发重心被压倒性地放在完善不同类型的抓取动作上。市面上最昂贵的仿生手中，许多产品通过可选择的抓取动作的数量与类型，来与其他产品相区分。我的仿生手是奥托博克公司生产的iLimb，它也是一个媒体宠儿，得到许多报道。我在2018年收到这只仿生手，它像一个拳头的形状，具有强力抓握、捏抓和一个特定模式——大拇指放在食指之上，用于有礼貌地递出信用卡。我的这支21世纪的肌电仿生手看起来不同寻常，直到我尝试用它来做一些日常任务，事实证明戴上它后比简单地将它留在沙发上更加累赘和耗时。譬如说，我无法用它来将一扇门拉拢，而这件事我用自己的残肢都能完成。没有极其昂贵的动力手腕附加体，我不能从一只锅里倒燕麦粥到一只碗里。以炫酷的仿生方式来执行任务时，尽管它模拟拥有两只手的情况，但它显然并没有优于用我自己的方式（有时在腿和脚的帮助之下）做事。

亚当·施皮尔斯（Ad Spiers）是伦敦帝国学院的机器人学与机器学习专业讲师。我第一次和他交流是在他的办公室里，尽管已是深夜，可他依然对于机器手兴致勃勃——机器手是他目前的研究重心。施皮尔斯说，拟人机器手是逃不过的一关，从现今义肢的现实到科幻和动画的幻想都是如此。他说：“我在这儿最早的一次讲课中，我展示电影和卡通片段，电影制作人让机器手呈现怎样的外形。高达系列动画中有许多特写镜头，巨大的机器手抓着硕大的枪支之类的东西。但为何它需要像一个人手？为何机器人没有干脆用枪支代替手呢？”

譬如义肢公司“手臂动力学”制造的这款活动手臂—没有仿生义肢那么昂贵，也比它们更加耐用。来自义肢装置公司“得克萨斯辅助装置”的附加体被评估适用于极沉的重物，使得杨能进行锻炼，而若是用更为昂贵的iLimb仿生手，则会有风险，或是不可能做到

霍斯默钩（左）最初设计于1920年，是身体动力型设计中的终端装置，至今依然使用。当把钉子敲进木头中时，榔头形状的附加体（右）也许比一个抓握附加体更加有效

施皮尔斯认为，义肢开发者过于执迷于外形，忽略了功能。但他早已和许多义肢开发者聊过，知道他们和他的观点不同：“我有种感觉，人们喜爱人类了不起的想法，而正是手使得人类相当独特。”施皮尔斯造访过的几乎每个大学机器人学系都有一款拟人机器手在研发中。“这是未来的样子，”他说道，听起来有点恼怒，“但往往存在着一些更好的方式。”

绝大多数的义肢使用者是单侧截肢者——截肢仅仅影响他们的一侧身体——他们事实上总是用他们占支配地位的“肉身”手来执行精细的任务，譬如拿起一只杯子。单侧截肢者和两侧截肢者也能够从躯干、脚和环境中的其他物体获得帮助，单单用义肢来执行任务的情况极少见。然而，平常判定一个义肢是否成功的临床评估是基于仅使用义肢的测试，没有其他身体部位的帮助。这样的评估看来是旨在示范义手能做什么事，而不是展示它在用户日常生活中能够有多少实际的用处。残疾人士依然不是义肢标准的裁决者，我们依然不处在设计的核心位置。

现实世界中的义肢

为了弄清义肢使用者对义肢装置的接受情况，施皮尔斯领导了一项研究，采用受试者头上佩戴的摄像镜头记录下他们的每日行动，8名受试者都是单侧截肢者或者天生肢体异常的人士。这项研究涉及多种肌电仿生手和身体动力型系统（通过线缆的传递，利用肩膀、胸部、上臂的运动，以机械方式操作义肢末端的一个机械爪）。研究进行时，施皮尔斯还是耶鲁大学阿伦·多勒（Aaron Dollar）领导的专注于人工智能和互联网的GRAB实验室中的一名研究科学家。

看着研究中的原始录影，我对于那些匿名的义肢使用者感到悲哀的同时，也产生一股同志情谊。录影片段展现的笨拙、估计错误和意外跌落东西就算对于十分有经验的义手使用者来说，也是很熟悉的。很多情况下，义肢仅仅是帮助让一个物件靠住身体，再由另一只手来处理。同样明显的是，他们要花费多少时间来让他们的肌电义肢准备好执行任务——常常需要多花几秒钟，以手动或电动方式旋转装置的腕部，与物件对齐，从而正确无误地抓住物件，构思出抓握方法。有个受试者将一瓶消毒喷雾剂挂在“钩子”手上，另一只手擦拭厨房台面，看起来这个人把怎么用义手都想明白了。

在研究中，所有被录制下的操作中，平均仅有19%的操作用到了义肢装置。一般而言，义肢大多被用于非抓握的动作，另一只“完好”的手负责大多数抓握动作。研究强调，非电动的身体动力型义肢的使用者和肌电义肢的使用者之间在使用情况上有着巨大区别。对于截肢部位在手肘以下的身体动力型义肢使用者，将近80%的义肢应用是非抓取动作——推、按、拉、吊和稳定物件。对于肌电义肢使用者，义肢装置只在40%的时间里被用于抓取。

更加揭露真相的是，装有非电动抓取器或分岔钩的身体动力型义肢使用者和更加复杂的义肢装置的使用者相比，前者在执行任务上花费的时间少得多。施皮尔斯和他的团队注意到，前一类人在家中忙于执行任务时的流畅性和速度。他们几乎即刻就能使用人造手，甚至通过驱动系统的线缆感受到直接触觉反馈。研究也揭示，肌电单夹式装置和更先进的肌电多关节多指抓取式仿生手在使用中几无差别——除了使用者往往会避免让物件悬挂在多指抓取式仿生手上，这似乎是因为担心弄坏仿生手。

“我们有种感觉，多指抓取式肌电仿生手的使用者对于仿生手的使用相当踌躇。”施皮尔斯说。这点并不奇怪，因为多数肌电仿生手的售价超过2万美元，极少能被保险公司承保，需要频繁的专业支持来修改抓握模式和其他设定，维修过程既花钱又费时间。随着义肢技术变得越来越复杂和专利化，产品的长期可用性越来越让人担心。理想情况下，用户应该能轻易地修理装置。不过，一些义肢初创企业在推销订阅模式，用户需要在此模式下持续地付钱，以获取维修和支持服务。

尽管有施皮尔斯研究得出的结论，但他说，绝大多数的义肢研发仍然将重心放在完善昂贵的高科技仿生手的抓取方式上。即便在义肢之外，在非人灵长类科研和机器人学领域内，操纵方面的研究依然压倒性地关注抓取。“任何不涉及抓取的研究都被扔到一边。”

“抓取”历史

假如我们已经判定，我们的手使得我们成为人类，使得人手独一无二的因素是它的抓取能力，那么我们拥有的唯一的义肢蓝图是附着在大多数人的手腕上。然而，对最终五根手指的追求不一定是合乎逻辑的下一步。事实上，历史表明，人类并非一直都一根筋地要完美地再创造出人手。

正如2001年出版的文集《书写于手：近代早期欧洲的记忆与知识》所描述的，对于手的想法在千百年来不断演变。亚里士多德在《论灵魂》中写道：“灵魂犹如手一般；因为手是使用工具的工具。”他推想人类被特意赋予灵活的、能够抓握的手，是因为唯有我们独一无二的智慧大脑能利用这样的手，手不仅仅是作为一种用具，更是一个理解，或者“抓取”世界的工具。

一千多年后，亚里士多德的思想让文艺复兴时期的艺术家和思想家产生共鸣。在列奥纳多·达芬奇（Leonardo da Vinci）看来，手是大脑与世界之间的媒介，他付出异乎寻常的心血，对人手进行解剖和绘图，弄清了人手主要的组成部分。他对前臂和手掌的肌腱与肌肉做了一丝不苟的研究，这促使他得出结论：“尽管人类的巧思匠心产生各种各样的发明创造，但永远不会发现比自然更加美丽、更加合适、更加直接的发明创造。因为在自然的发明创造中，没有一样东西缺失，没有一样东西多余。”

达芬奇的解剖图促成当时欧洲人对人类解剖学的一时兴趣。然而，尽管欧洲大师们对人手进行各种仔细的描绘，手依然更多地被视为灵感来源，而不是一个被凡夫俗子复制的物件。事实上，当时被广泛接受的看法是，人手构造的错综复杂证明了它出自神的设计。基督教哲学家威廉·佩利（William Paley）宣称，没有哪台机器比手的屈肌“更加像人造的，或者明显地更加如此”，间接表明上帝的故意设计。

义肢科技公司TRS制造的各种身体动力义肢附加体，用于不同的爱好和体育运动。每个附加体专门用于一个特定任务，可以轻松地更换附加体，用于各种活动

到18世纪中期时，随着北半球出现的工业革命，一种更加机械论的世界观开始出现，活物与机器之间的分界线开始变模糊。斯坦福大学历史学教授杰西卡·里斯金（Jessica Riskin）在2003年文章《18世纪的事件》中写道：“18世纪30年代到90年代期间是一段模拟时期，机械技师急切地尝试瓦解生物与人造机械之间的间隔。”这一时期，在义肢的设计上看到重大变化。虽然16世纪的机械义肢因为铁和弹簧的增加而变得沉重，但1732年时的一个身体动力型义肢采用滑轮系统来弯曲轻质铜制作的假手。到18世纪后期，金属被皮革、羊皮纸和软木替换——这些较为柔软的材料模拟了生命的物质。

“20世纪初的技术乐观主义带来义肢设计的又一次改变。”苏黎士法医学研究所的法医病理学家沃尔夫·施魏策尔（Wolf Schweitzer）说道。他拥有许多种义肢，也具备测试义肢所需要的经验。他注意到，在将近2 000年里，解剖学上正确的义手被雕刻和锻造出来。20世纪时身体动力型分岔钩“更为现代”，它的设计更加愿意打破常规，跳出人手的窠臼。

“当人要起到生产线或农业中发条装置嵌齿轮一样的作用，身体动力型手臂——在它的象征主义方面——表达1920年代工业社会的人-机器象征主义。”施魏策尔在他的博客文章中写道。在1920年代的霍斯默钩原始设计中，钩子内放置的一个环是为了系鞋带和拿香烟。施皮尔斯告诉我，那些设计“拥有让人难以置信的功能性，将功能摆在外形的前面。所有部件都为特定用途服务。”

施魏策尔认为，随着20世纪对于体力劳动的需求下降，具备高度功能性、但不够自然的义肢被一种新颖的高科技未来愿景——仿生手——超越。2006年，美国国防部高等研究计划局发起“革命性义肢”研究倡议，开发下一代拥有“接近自然”控制的义肢手臂。这个1亿美元的项目产生了两个多关节义肢手臂，一个用于研究，另一个的成本超过5万美元。更为重要的是，它影响了其他相似义肢的诞生，确立仿生手——正如军方所想象的——在义肢领域至高无上的地位。现在，多指抓取的仿生手占据支配地位，成为赛博格完整性的象征。

然而，一些义肢开发商在追求不一样的愿景。以科罗拉多州博尔德为基地的TRS公司是生产用于特定活动的义肢附加体的少数几家制造商之一。那些附加体往往比机器人义肢更加耐用，带来的经济负担没那么沉重。这些塑料和硅胶材质的附加体——包括一个用来做俯卧撑、蘑菇形状、软乎乎的装置，一个用来提起重物的棘爪夹钳，一个用于游泳的凹面鳍——已经帮助我体验到我依靠义肢手臂获得过的最出色的功能性。

这些低科技水平的活动用义肢和身体动力型义肢的表现惊人地出色，而它们的成本仅占仿生手的极小一部分。它们的外形或行为都不像人手，而它们的功能大大改善。根据施魏策尔的说法，身体动力型义肢经常被工程师嗤之以鼻，被贬低为“奥术”，或者被嘲笑地称为“船长钩子”。未来的仿生肩膀和手肘也许会对那些失去整条手臂直至肩膀位置的人的生活带来巨大影响，只要那些装置制造得强健可靠，价格上让用户能够承受。但对于施魏策尔以及很大比例的对肌电义肢不满意的使用者而言，义肢产业有待提供根本上比身体动力型义肢更优良、更低廉的产品。

我们想要的突破

仿生手试图让残疾人变得“完整”，让我们参与到一个在文化上是两手健全的世界。但是，更为重要的是，我们能过上我们想要的生活，获取我们需要的工具，而不是让我们看上去和其他人没有差别。尽管许多前肢异常的人士已经用仿生手与世界互动，表达他们自身，但几百年之久的完善仿生手的努力极少集中于我们的生活体验，我们想在生活中做什么事。

到现在将近100年里，我们一次次获得许诺，说义肢技术上会出现突破。我联想起围绕着实验室培育肉的科学兴奋，这看着像一次爆炸性的转变，但却是智识投降的标志。在这种转变中，政治和文化的改变遭到忽视，取而代之的是技术上的修正。义肢世界里的医生、保险公司、工程师、义肢技师和军方，扮演着几十年以来一样的角色，所以几乎不可能生产出一些真正变革性的东西。

与此同时，这场隐喻性的“登月竞赛”是一个已经忘记初衷的任务：帮助残疾人获取和使用他们想要的工具。眼下有价格不昂贵、方便获取、低科技水平的义肢，它们需要创新的投资，以便进一步降低成本，改善功能性。至少在美国，有一个破碎的、需要修补的保险体系。让我们从这场仿生手军备竞赛中获得解脱，就能开放更多可能性，迎来更具功能性的设计方案，让那些产品更加派得上用场，价格上更容易承受，也许才能帮助我们将义肢愿景从高不可攀的天空重新拉回到地面上。

资料来源 IEEE Spectrum