深入了解假肢：类型、工作原理及其缺点

2021年9月24日, 18:00

在科幻作品中，假肢十分常见，而且通常被描绘成远比人类生物手臂更出色的装置。然而这是一种普遍的误解。现实世界中目前存在的假肢，离真正替代手臂还相去甚远。它们大多只是用于完成简单动作的工具。

在了解假肢能做什么、市面上有哪些类型以及存在哪些难点之前，需要先了解截肢的类型：手指、手掌、前臂和上臂。根据截肢的部位，需要配备相应的假肢。失去手指是最容易替代的情况，而前臂截肢则会带来严重的问题。

安装假肢的原因不仅可能是事故等导致肢体截除的意外，也可能是先天性畸形导致手部某部分变形。目前主要有三种基本类型的假肢：

装饰性假肢的含义体现在其名称上：它们只是让截肢不那么显眼，却不具备任何功能。佩戴装饰性假肢的人最多只能托住一些东西，却无法完成正常的日常动作。

机械式假肢

牵引式或机械式假肢始于德国人格茨·冯·伯利欣根的钢制手臂。它的功能有限，但可以握住物体，或许还能用笔写字。操作这种装置需要按压位于手背的一个按钮。

随着工业革命的到来，假肢开始不断改进，逐渐发展成如今的形态。机械式假肢由一个支架和多根钢索（拉杆）组成，这些钢索固定在残肢的特定部位。通过施力，钢索被拉紧，假肢便会运动或弯曲。这类假肢适用于任何类型的截肢，即使是完全失去手臂的情况也可以使用。

与生物电式假肢相比，牵引式假肢更适合上臂截肢，这是由生物电传感器的特性决定的。假肢不仅包括支架、接受腔和手部，还包括一根绑在健康肩膀上的钢索，正是通过它实现对假肢的控制（手腕的屈伸）。在肘部的控制只能依靠健康的手臂，或者通过身体躯干的摆动来实现。

牵引式假肢的主要优点：

然而，这类假肢只有一种抓握方式，因此它们只适用于某些特定功能，在日常生活中并不总是实用。

生物电式假肢的工作原理和装置结构都更为复杂。这类装置的工作基于读取残存肌肉的生物电势。简单来说：你决定要动一下手；大脑中的冲动沿脊髓传导，进入与肌纤维相连的神经；信号被放大，并分散到特定的肌纤维群；一根神经可以驱动多个肌肉细胞。

在健康的手上，信号例如会传到手掌，于是你握紧拳头。然而在前臂以下截肢的手上，信号会“消失在虚空中”，也就是说会散失。安装专门的传感器后，可以在信号散失之前将其捕获并加以利用。生物电传感器无需植入手臂，只需戴上假肢即可。

信号被采集后会进入处理器进行处理。随后伺服驱动器开始工作，使假肢做出某种动作。伺服驱动器是一种小型动力装置，能够接收信号，将其与程序中的数据进行比较，并执行相应的动作。

这类假肢相比机械式的优势在于电子装置。可以对伺服驱动器的运动进行编程，并为假肢设定多种不同的抓握方式。牵引式只能握紧和松开手掌，而生物电式还可以做手势、转动手腕等动作。它们拥有18到22种抓握模式。

然而，这些抓握模式需要手动切换。仅仅想做某个动作，假肢并不会自动执行。假肢的运作依赖于传感器，而它们与大脑及思维过程之间并没有联系。切换方式可以通过显示屏、假肢上的按钮或手机应用程序完成。与机械式假肢一样，完成抓握时需要持续绷紧某些肌肉，长时间使用可能会感到疲劳。

人无法单独控制每根手指，但可以执行编程人员写入伺服驱动器代码中的动作。目前存在一种能够单独控制每根手指的假肢，它基于肌肉的超声扫描原理工作，但目前只是单一的原型。

前臂以上截肢的难点在于，那里根本没有可供读取的信号来源。手臂完全缺失，因此无处安放传感器，但工程师们找到了两条出路：

Ottobock公司的DynamicArm项目。接受腔套在本应是上臂的位置，并读取用于控制的信号。肘部弯曲是其中一种抓握方式，同时肘部在受力时会自动伸直。
约翰霍普金斯大学的研发项目。患者双臂均缺失，且截肢位置都在前臂以上。科学家将传感器安装在胸部。这些假肢活动范围广，但在速度和操控便利性方面受到限制，因为用胸部来控制手臂十分困难。