章鱼臂、藤臂、英雄臂……为什么假肢不需要看起来像真肢？

文 | 追问nextquestion

为什么假肢不需要看起来像真肢？人们总是习惯于从熟悉的角度定义新的事物，默认就算是假肢也应该和真的一样，但这真的有必要吗？回答这个问题前，我们首先来弄清楚假肢的由来与发展。

从时间上来说，假肢并不是最近才出现的新鲜事物。作为人体残缺肢体的人造替代品，它在最开始就被定义应该和缺损部位相同。据记载，最早的假肢是一只有着3000年历史的古埃及木乃伊的假脚趾，它的出现非常人性化，作为死者葬礼的一部分，补全了死者的身体。

在欧洲一些历史博物馆内，我们可以看到15世纪的假肢。当时的假肢是由制造铠甲的武器制造者制作，所以这些假肢都是由铁材料制成的。到了17世纪，人们才开始用木材制作假肢的接受腔，用金属制作假肢的膝关节，完成了假肢的一次大飞跃。这种方法在1839年传入美国，自然成了美式木制假肢发展的母体。在南北战争期间，大量伤残战士的出现促进了假肢的发展。James Edward Hanger在战争中不幸被炸断了大腿，由于不满意当时的假肢合身性和功能性，于是他做了自行改良。他利用橡胶制成了踝关节缓冲垫。借助这项技术，他创立了著名的假肢公司Hanger。

伴随着材料学、工程学的发展，在人体生物力学的启发下，假肢解剖学适配和对线理论的出现，使假肢作为一门学科有了长足的进步。在现代社会，由于糖尿病或心脑血管疾病引发的截肢手术增多，人们对功能更多样、舒适度更高的假肢也有了更大的需求。

假肢设计师一直尝试从人体中寻找灵感，打造超现实的仿生腿和手臂则是他们不懈追求的圣杯。得益于《星球大战》等科幻作品，这样的设想仍然牢牢抓住了我们的集体想象力，塑造了大众对假肢未来的预期。只是，从来如此，便对么？

残疾人权利运动与20世纪60年代的民权和同性恋解放运动一起在美国兴起，几十年来一直在推动假肢更广泛的接受。初期的倡导者，无论是选择最简装置如开口钩，或未佩戴任何辅助装备，亦或是后来者在假肢上装饰闪耀的迪斯科球镜片，均传达出一种信息：“我的想法是，我不会为了适应传统标准而改变自己的身体。”加州大学圣地亚哥分校的残疾和设计历史学家戴维·瑟林（David Serlin）说道。

然而，现代医疗体系的构建并未充分考虑到个人的自我表达或身份认同等要素。至今，大型医疗器械公司在设计辅助技术时，依旧主要从“治疗”这一传统角度出发，采取的这一方法称为生物医学化。“生物医学化的目标，在于实现身体的正常化。”皮茨-泰勒（Pitts-Taylor）说道。其目的是创造一个尽可能接近“理想”的身体，而在西方医学中，理想的身体通常是白人、认知和身体健全的人。

这一做法留下了许多长期存在的问题，如效果不佳或不适感，这些问题并不能真正满足使用者的个性化需求，更不用说体现其身份的自我认同了。例如，假手的尺寸往往仅限于“男性” 、“女性”和“儿童”三种，许多人的尺寸既不在这些范围之内，也不完全符合这些定义，从而导致假肢与生理肢体之间的尴尬不匹配。对于有色人种来说，选择设备可能会更加困难，因为某些假肢制造商通常只提供有限的几种肤色选项给诊所和医院。

假肢设计师兼工程师丹尼·克洛德提到，假肢使用者也并非有着相同的敏感度。根据残肢神经的集中程度以及是否经历幻肢感觉等因素，每个人都有独特的触摸敏感度水平。这些因素会极大地影响他们对假肢的适应性和使用意愿，况且，假肢还必须紧贴这些敏感区域。

例如，那些生来就有身体缺陷的人，他们的生活体验可能与后天失去肢体的人截然不同。对于那些晚年失去肢体的人来说，辅助装置可能带来了一定的慰藉。然而，对于从出生起就没有手臂的人来说，他们通常能够非常熟练地使用他们的残肢来完成日常任务，假肢这种笨重装置反而成为了他们的负担。

朱尔斯·阿马尔（Jules Amar）是假肢设计领域的先驱，他为在第一次世界大战中失去肢体的士兵制作假肢。他的设计打破了传统方法，针对特定任务进行了优化。例如，阿马尔给他的病人提供了末端有钳子的肢体，目的是让患有炮弹休克症的年轻人重新融入“生产性”社会。这样，许多退伍军人借此能够在农场和工厂车间找到工作，尽管一些与阿马尔同时代的人对剥削残疾工人表示担忧。

如今，假肢用户可以配备更加高科技的解决方案，例如肌电装置——将残肢肌肉的电信号转换为运动的电动肢体。但许多人选择放弃这些复杂的机器人般的肢体，转而选择了更为专业的装置，如阿马尔设计的那样，包括跑步用的刀腿或带有可更换末端的肢体驱动活动臂。加州大学伯克利分校的科技作家兼博士生布里特·H·杨（Britt H. Young）分享道：“我有其中一个，主要用于锻炼，使用这些产品的人通常会感到更加满足。”

假肢包含三个基本原则，假肢解剖学适配、静态/动态对线理论和康复训练。假肢解剖学适配可以理解为接受腔的适配。接受腔是能将残肢舒服地收纳在其中，并能将力有效地传递到假肢远端部位，是人体-机械系统的界面部件。因此，接受腔的适合即指接受腔于残肢之间的相互配合状态。功能上符合解剖学、生物学以及生物力学的相互配合状态则是“好的适合状态”。静态和动态对线理论的目标是减少穿戴假肢时的不适感和改善穿戴后的步态，从而更有效地将力量传递到所需的物体上。康复训练的目的则是最大限度地发挥假肢的功能。这样看来，似乎假肢作用的发挥更取决于患者和缺损部分的残余神经元对假肢的认可程度。

如果从意识方面讨论，假肢介于“物体”和“自我”之间。它是替代品，但同时需要被大脑所接受，并视为身体的一部分，以便充分发挥其功能。在2020年PLOS Biology上发表的一篇论文中^*，剑桥大学可塑性实验室的神经科学家塔玛尔·马金（Tamar R. Makin）的实验室在功能磁共振成像机器中，扫描了假肢使用者和非假肢使用者的大脑，以了解大脑中的特定区域如何对假肢的存在做出反应。研究人员最初预计，无论人们使用人造手臂、有血有肉的手还是日常任务的工具，都会看到类似的模式。但事实并非如此。

Maimon-Mor, Roni O., and Tamar R. Makin. "Is an artificial limb embodied as a hand? Brain decoding in prosthetic limb users." PLoS Biology 18.6 (2020): e3000729.

“假肢并不像手一样被表征出来，”马金说，“但它们也不像工具一样被表征出来。”相反，它们似乎触发了一种独特的神经特征——既不是手也不是工具，而是一种以前未知的东西。这些模式在不同用户中是一致的，这表明大多数人可以轻松适应各种假肢配置，前提是这些设备在日常生活中依然有用。但这并不意味着假肢无法成为身体的一部分。许多截肢者报告称，他们在一定程度上实际使用了假肢。但这确实表明，假肢的“身体化”与其是否看起来像生物肢体无关。假肢无需完全模仿其所替代的身体部分。

长期以来，医疗设备研发的假设基础是，符合大脑期望的假肢本质上更容易操作（或者用研究术语来说，即embody，体化/具身）。马金表示：“当我们考虑体化时，我们会想到一些与我们的身体模板接近的东西。”她与克洛德密切合作，研究大脑如何适应与假肢的交互。马金的研究证实了假肢使用者长期以来的直觉：我们的大脑对于适应新肢体具有惊人的能力。神经科学家和假肢制造商都对“体化”这种现象充满了兴趣，它是大脑识别其所在身体的方式，并确定什么算作“自我”和什么算作“他者”，以界定其中的边界。有时，“体化”可能会出错，例如幻肢症（Phantom limb syndrome, PLS）就显示了大脑对身体边界的认识并非总与物理现实相符。

假肢制造商长期以来希望利用“体化”的优势，让他们的设计感觉像是身体的延伸，而不是附着在身体上的异物。PLS疗法使用镜子制造缺失肢体仍然存在的错觉，暗示如果大脑与要替换的肢体的形状和功能相匹配，就可以说服大脑植入假肢。目前来看，这种想法并不完全对。

不像已经逐渐被大众接受的下半身假肢，失去上肢的人即使佩戴着高科技五指仿生设备，也依然承受着巨大的社会压力。将假肢转化为一种艺术表现，而非单纯追求功能性，成为了一种重新夺回主导权和改变叙事权力的有效手段。

英国模特兼残疾人权利倡导者凯莉·诺克斯（Kelly Knox）佩戴的假肢便是一个突破常规的例证。她自出生起便缺失左臂肘以下的部分。从她手臂的末端开始，数十个类似椎骨的结构延伸形成一条长而弯曲的触手。这种肢体不仅引人注目，也很灵巧。

诺克斯可以通过她鞋中的压力传感器来控制其运动，这些传感器通过无线连接控制假肢上的人工肌腱来收紧或放松，使触手能够完成触碰和抓握动作。不过，诺克斯不得不暂时与这个假肢告别，因为它将在今年晚些时候的“BODIES：The Exhibition”展览中展出。该假肢由艺术家Sophie de Oliveira Barata和丹尼·克洛德（Dani Clode）设计。

此外，一些较大的企业也在努力让假肢套变得更容易使用。英国的Open Bionics等公司正在创造价格实惠的3D打印选项，例如“英雄手臂”，其图案取自漫威电影。许多产品都是针对儿童推销的，旨在帮助他们建立自尊心。

对于患者而言，他们往往承受着来自三方面的压力，复健过程，社会上同情和异样的眼光，以及经济上频繁更换磨损假肢的高昂负担。这些压力往往使患者不得不中途放弃。

假肢的价格并不便宜，即使在有优质保险的情况下，一条假腿的成本也可能从36万到575万人民币（5,000-80,000美元）以上不等，具体取决于其复杂程度。更重要的是，肢体的部件磨损后必须更换，这会额外花费数千美元——仅一些膝关节就需要花费216万（30,000美元）。即使有些保险会承担部分费用，但大多数提供商“只能覆盖很小一部分”。

人机界面的通信难题使得肌电假肢的实际效用受到质疑。表面电极记录的肌电信号容易受到干扰，从而导致日常生活中的假肢控制的不稳定。虽然在残肢处植入电极可以提供更可靠的控制信号，但这也引入了额外的通信需求——即信号必须不断从体内传到体外。患者还不得不承受植入手术的风险和高额经济负担，这些进一步加重了患者的负担。从实用性和美观而言，通过改变假肢设计来降低患者负担，也就成为必经之路了。

作为人工肌腱控制的机器人假肢设计方面的专家，克洛德设计了“第三拇指”，这是一种小巧而坚固的假肢手指，操作简便。就像诺克斯女士的“藤臂”（见图2）一样，通过鞋中的压力传感器控制，不仅能替代失去的拇指，还能添加到健全手上与现有的生物拇指形成对比，从而以经济高效的方式扩展手部功能。

克洛德说，拥有两个拇指“以令人惊讶的方式扩展了人手的能力”。许多动作需要同时握住一个物体并进行操作，例如单手剥香蕉或打开软饮料瓶。未来，或许可以为此类假肢提供人工感官反馈。

2023年11月，在Science Robotics杂志上发表的一篇论文中*，由北京航空航天大学机器人学家李文领导的中国研究团队描述了一种模仿章鱼触手的灵活机械臂。虽然它不是被设计成假肢的，但该设备通过佩戴者食指上的手套控制，并能通过类似机制提供触觉反馈，展示了假肢技术未来的潜在方向。

Xie, Zhexin, et al. "Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction." Science Robotics 8.84 (2023): eadh7852.

根据世卫组织统计，全世界只有约10%的肢体丧失患者能够使用假肢装置。作为患者重新回归正常生活的助手，它应该是普惠的，可以让患者不需要付出那么高昂的代价便可以使用适合自身的假肢。由此，我们不应该回避对假肢设计改进的可能性。患者对其假肢感到舒适感受，是他们的最基本的权利。

正如戴维·瑟林所说，“这不只是关乎功能或美观的问题，理想状态下，两者本应兼顾。”

参考文献

1. Joanna Thompson, These prosthetics break the mold with third thumbs, spikes, and superhero skins, MIT technology Review, (2023)

2. Why prosthetic limbs need not look like real ones, The Economist, (2024)

3. Max Ortiz-Catalan et al. ,A highly integrated bionic hand with neural control and feedback for use in daily life.Sci. Robot.8,eadf7360(2023).

4. Zhexin Xie et al. ,Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction.Sci. Robot.8,eadh7852(2023)

5. WHO standards for prosthetics and orthotics. Geneva: World Health Organization; 2017. Licence: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.