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魏坤琳:怎樣用Xbox治病|鳳凰讀書
魏坤琳:怎樣用Xbox治病|鳳凰讀書
鳳凰讀書     阅读简体中文版


《未來光錐》/哈賽/清華大學出版社/2014-10


我運動,我存在


魏坤林于2000年在北京體育大學獲得生物力學的學士學位,2002 年和2003 在美國賓夕法尼亞州立大學獲得運動控制和電子工程雙碩士學位,2007 年在賓夕法尼亞州立大學獲運動控制的博士學位。2007 年至2009 年在美國西北大學和芝加哥康復醫院進行博士后研究。2009 年加入北京大學心理學系。他的運動控制與虛擬現實實驗室,集心理物理、虛擬現實、生物力學和數學建模等研究手段,探討人的運動控制問題。實驗室的主要研究工具包括人的三維運動捕捉、虛擬現實、人機交互等。雖然其研究主要以基礎科學問題為主,他們卻希望運用對人的運動控制與學習的基本理論來幫助解決實際問題,比如輔助中風病人的運動功能康復,開發利用肌電信號控制的智能假肢等。


2000年,本田發布了一款Asimo 人形行走機器人,他在世界各地表演爬樓梯。看到Asimo 的表演,大家都會覺得這是一個奇跡。在人工智能如此發達的今天,我們有超級電腦,我們用最好的材料,給機器人最好的程序員,為什么他們的運動還是這么笨拙?


再來看看,人能夠做什么樣的運動呢?當棒球運動員接一個高速飛過來的球時,首先,他要快速奔跑過來,這時,球的飛行速度可能超過每小時100公里,如果他發現自己觸不到球,他可以騰空而起,在空中控制自己的姿態,在合適的地點、合適的時間伸出手接住球,這才是奇跡。然而,大家卻熟視無睹不以為然。


為什么人覺得稀松平常的事情,機器人卻做不到?作為運動控制的研究者,我們發現,人的運動控制系統還遠遠未被了解清楚。這方面的研究,就叫感知運動控制,主要是研究我們如何獲取信息進而控制身體的運動。一個人走下樓梯,他大腦里需要自動做一些運算,知道樓梯離他有多遠,知道應該邁多大步子,這是感知和動作控制的問題。


在運動過程中,人腦的中樞神經系統首先要向全身的骨骼肌發出指令。但是,麻煩就來了,因為我們有太多的骨骼。我如果拿一杯水送到嘴邊,胳膊上十幾條肌肉都必須要激活。激活它們的時間先后關系是怎樣的,它們之間是怎樣協調的,這是典型的控制問題,對工程師來說是難題。如果我喝一點水,瓶子的重量改變了,我的動作結果和環境進行交互以后產生一些變化,神經指令必須也進行改變。這時候運動結果需要重新被感知器官所感知,重新送回中樞系統。同時,感知也不是一個簡單的問題,因為我們的感知系統有很大的不確定性。當一個棒球很快飛過來的時候,在你的視網膜上會看到一個光影,然后逐漸變大。這時,你必須做出一個精確的判斷,但是,我們的視野中可能有大量的信息,只有少數的信息是有用的。這就要求大腦處理海量、模糊的信息。對于控制來說,有兩個難點,第一是輸出,神

經指令得控制他要的東西;第二是感知輸入,信息太多,而且都是模糊的,中樞神經系統必須做出大量的運算。


感知運動控制是交叉學科


感知運動控制的研究屬于交叉學科,這里邊涉及神經科學、心理學、生物力學、物理學、工程學和康復醫學。


神經科學是與感知運動控制聯系最緊密的學科。運動控制的神經指令是怎么計算的,在中樞神經系統是怎么表達出來的,哪個腦區控制運動的哪一部分?這都需要神經科學的直接研究。此外,感知系統也是這樣,比如視覺,首先你獲得的信息要轉化成神經信號,再進行分級處理。

運動與心理學有什么關系呢?實際上,很多心理學概念,比如記憶、情感、情緒、動機等都會影響我們感知運動控制,這也是屬于心理學的范疇。


另外一個重要學科是生物力學,生物力學把人看成一個多關節的肢體,首先,運動過程是一個控制各種力的過程,這其中也包括各個關節間的交互力,比如我在臺上走,就會與地面有交互力,所以,通過研究力的交互可以了解人腦要控制運動的哪些方面。生物力學可以提供測到運動信號的研究手段,為我們下一步的研究提供依據。


下一個是工程學,提供了大量有用的數學手段和工程手段來研究生物是怎么運動的。舉一個簡單的例子來說明一下吧,被動動力機器人沒有控制器,不發出主動的控制信號,只是被做得和人體的比例非常像,我們把這種機器人放在很緩的斜坡上,然后松手,機器人就能做出像人一樣的行走動作。我們通過機器人進行反推,就可以幫助我們了解人的運動控制,以及如果沒有神經控制的話人將會如何運動。


用神經信號來控制一個機器,可能嗎?其實,對工程師來說,問題非常簡單:首先解碼那些神經信號,弄清楚神經信號的意義;再把神經信號翻譯成機器了解的信號,以控制機器的運動。這是科幻電影經常出現的橋段,但其實已經不是科幻了。


現在,已經有科學家能讓猴子控制機械臂喂自己吃東西,而猴子自己一動不動,這是怎么實現的呢?因為猴子大腦的運動中樞被植入了運動電極,電極實時采集了運動信號,然后把信號翻譯出來,之后猴子只要動動腦子,就能夠控制假肢,坐享其成。2010 年,有一個重度癱瘓的病人已經被植入了電極,我們用這種方法讓他恢復了一定的運動能力。


用到康復中去


了解了人體運動控制的基本原理,就可以把這些應用到幫助病人康復中去。比如幫助那些運動障礙病、中風、小兒麻痹癥、帕金森等病的患者。現在,Lokomat康復系統可以把病人像吊在空中一樣,通過電腦帶動他們在空中走。這樣既提供了保護,又讓重度癱瘓的病人恢復了運動能力。康復醫學的另外一個方面是我們可以通過研究病人的行為,來了解一些運動控制的基本機理。怎么做到這一點呢?比如說,病人的某個腦區有損傷,就會相應地表現出某種運動障礙,通過總結和觀察就能找出是哪個腦區控制運動的哪個方面。


我的實驗室里有項研究是用神經信號來控制機器假肢。什么樣的神經信號呢?我們知道肌肉收縮的時候會產生電信號,如果在皮膚表面采集這些電信號,就可以結合電腦來分析這個人的運動意圖。之后再用這樣的信號來驅動帶動力的假肢。假設我們能做到這一點,給截肢病人安裝上動力假肢的話,當他想“我要邁腿”,電腦采集到那些殘留的肌肉電信號,就能分析出他要邁腿,然后幫忙控制他的機器假肢的動作。這并不科幻,國外已經做出來了,我們也在努力做下肢康復方面的東西。我相信不久的將來能夠做到這一點。我們知道,中風病人因為平衡能力低下,所以行走困難。傳統的方法是攙扶著病人走,這樣費時費力。有人就因此研究出用機器人治療,用電腦控制的那些機器設備給病人一定的保護,來引導他進行運動康復。但是,這些設備比較昂貴,另外,經過十多年的跟蹤研究發現,和傳統的療效相比,這種方法的療效一般,沒有顯著差異。


我們了解到,中風病人一側身體“控制失靈”,另外一側卻基本沒有問題。然而,隨著病情的發展,他會越來越喜歡用好的一側,忽視壞的一側,這就會導致病情的惡化。目前,比較成熟的治療方法是把健康的那一側綁起來,迫使病人用壞的那一側,這叫強制性誘導運動療法。這種治療方法是有效的,會引起腦區的一些變化。目前這種治療方法只能用于上肢,要想束縛病人的下肢的話,他無法站立和控制平衡。


于是,我和我的同事想到,可以給病人玩視頻游戲。我們知道,現在的體感游戲比較流行,比如微軟的Xbox Kinet、索尼的PS move、任天堂的Wii……等體感游戲能夠實時地測到人的運動信號,讓病人玩游戲,就能同時鍛煉他平衡的能力。另外,它們也很便宜。當然,讓病人玩游戲前,還必須改變一些運動信號。這項工作的目標是促進病人用壞的一側,我們先測量了病人兩只腿的控制力和對地面的壓力,然后對游戲機的參數進行一些改變。比如,讓一個人通過改變重心來玩滑雪游戲,我們用電腦截取、改變運動信號。在病人玩的過程中,我可以改變壞的那只腿的控制力,這樣不知不覺中就可以促使病人用壞的那側身體。


康復叫rehabilitation,那么,通過玩游戲來康復,我們就叫它wii-habilitation


我回國之后,治療的第一個中風的病人就是我父親。幾年前,他突發小腦中風,當我回來時,已經在康復期了。我發現他一側的小腿有毛病,就把他帶到實驗室,玩游戲鍛煉小腿,我希望他能長期堅持下去。


在美國,我不僅給中風病人玩游戲,也給高位截癱的病人玩過。他們的生活非常痛苦,只有頭能動,到病情的后期,病人往往會失去治療的信心,連頭都不想動了,頸部肌肉都會變得僵硬。所以我想,能不能讓他們用頭玩游戲呢?


我先給高位截癱的病人戴一個帽子,上面有一個發紅外光的點,可以實時測出頭部運動。當時那個病人很有意思,他整整玩了一個小時,后來,護士告訴我:“今天他真是太高興了。”在美國做康復療程,一小時200 美元,而這項康復手段的硬件改動只要花35 美元。我是研究基礎科學的,做這些事對我的學術研究沒有什么幫助。但有時候做一點小事就能夠給人帶來快樂,還是非常令人開心的。


拿游戲給病人玩看起來似乎是件很搞笑的事情。但是,我的同事卻將這項工作帶到了神經科學年會上。我們設計游戲給小兒麻痹癥病人玩,除了鍛煉他們的運動能力。同時病人的運動數據會實時地傳到電腦里,這些數據可以用來判斷小兒麻痹的程度,現在,這項工作仍在進行。

我們通過上述的這些工作,了解人的感知控制是怎么回事,并希望能幫助有障礙的病人擺脫束縛,重拾健康。此外神經信號也能控制一個外設,比如,外骨骼。穿上機器外衣,你運動,機器也跟著動,機器會給你更大的力量,跋山涉水也不覺得累。鋼鐵俠”就是這樣的,《蜘蛛俠》里的科學怪人也是如此。讓我震撼的是《機械公敵》里的機械人,他們的自主性和動作力相當強,現有技術還差得很遠。


用神經信號翻譯出人的意識,這是神經系統的輸出,而感知就是人神經系統的輸入。我們要了解感知,要了解感知信息是如何編碼的(控制是解碼,感知是編碼)。如果輸入輸出的問題都被解決了,想象一下,你坐著不動,就可以在虛擬的世界里遨游,這就是《黑客帝國》里的景象。


2015-08-23 08:41

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