等待一只胳膊和一条腿

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永远有 C 计划——西点军校教会了你这一点。如果路上布满地雷，桥梁支离破碎，而你的对手的旅在你的左侧集结，你就要找到一条新路，建造一座新桥。这是陆军的 DNA，是一个成功战士的基石，从 Dawn Halfaker 上尉进入这所精英军事学院并担任女子篮球队警卫的第一周起，这种 DNA 就一直渗透在她的细胞中。继续前进。总会有其他方法。

然后你毕业了，因为你是个对武器和外国文化着迷的行动迷，所以你被指派去管理巴格达郊外的一个军事警察局。2004 年 6 月的一个早晨，在日出之前，你正开着悍马车在例行巡逻中颠簸前行，这时有人朝你投掷了一枚火箭推进榴弹。这是一次幸运的射击。炸弹钻进了车厢，炸断了你朋友的胳膊，也炸穿了你自己的胳膊，肌腱和肌肉被炸得支离破碎。叛乱分子没有处理好的东西，外科医生就完成了，你除了被打碎的右肩胛骨之外一无所有，只剩下期望。

你 24 岁，是计算机时代的孩子。当你醒来发现没有右臂可以用来写字、吃饭和跳投时，你就知道发明超级计算机和重建手术的国家可以给你一些闪闪发光、令人叹为观止的东西。一只可以与《我，机器人》中威尔·史密斯的肢体相媲美的手臂。

自入侵伊拉克和阿富汗以来，已有 370 多名美国士兵截肢。事实上，华盛顿特区沃尔特里德陆军医疗中心三楼的轮椅交通拥堵不堪。哈尔菲克正是在这里结识了前体操运动员和攀岩运动员梅丽莎·斯托克韦尔，她在巴格达只待了几个星期，就因 2004 年 4 月路边炸弹袭击失去了左腿。

这两个女人在挫折中走到了一起。26 岁的斯托克韦尔 (Stockwell) 接受了微处理器增强型 C-Leg，但几个月来一直无法摆脱疼痛，她希望固定着她所谓的“小腿”的大型硅胶插座不会擦伤或向一侧倾斜，从而暴露出她跛行的一面。哈尔菲克是唯一一名患有无血的所谓肩关节脱位的女兵，她的右侧身体光秃秃的，就像一座陡峭的悬崖。假肢师首先为她安装了一个部分机械、部分电池供电的手臂，用一个厚厚的塑料插座固定，像盾牌一样贴合，用尼龙搭扣固定在她的身上。该装置依靠肌肉力量工作；当她耸肩时，滑轮和电缆会触发电动手臂张开一个块状爪子。这是在之前的战争中诞生的假肢，不舒服又笨拙，让她觉得自己像个 Playskool 玩具——她让假肢师知道了她的不满。 “我不想要 20 磅重的手臂。我想要 3 磅重的手臂，”她告诉他们。这样她就不会放慢脚步。他们给了她一只钩子手，这是二战后催泪电影《黄金时代》中的一种装置。绝对不行。“因为，”哈尔菲克说，“它看起来像个钩子。”

事情就是这样。没有 C 计划。对于斯托克韦尔来说，没有一条假肢和关节窝可以让她快速行走且无痛，不会在她苍白的大腿上留下伤痕。对于哈尔菲克来说，没有一条手臂既强壮又灵活，轻盈到可以塞进丝绸衬衫里。斯托克韦尔坚持不懈，学会用她的新机械腿走路，尽管走路时明显跛行。她适应了。哈尔菲克反抗，把她的手臂扔在房间里。她学会了用一只手臂洗澡、穿衣、开车和跑步，空袖子垂在身边。她也适应了。

但不久的将来，部分由于斯托克韦尔和哈尔菲克等伊拉克老兵的经验，假肢佩戴者将不再需要做那么多适应。适应将由假肢来完成。

假肢曼哈顿计划

假肢患者的假肢没有哪方面是最佳的——无论是速度、灵活性、舒适度还是外观。部分原因是市场虽然稳定，但规模很小，而且用于推动假肢技术的资金不像癌症研究那样充裕。美国有大约 180 万截肢者——大多数是老年中风和糖尿病患者——但假肢使用者的数量明显较少。当然，另一个制约因素是机械复制人类肢体的运动和灵活性的巨大挑战，这既依赖于与大脑的双向沟通​​，也依赖于骨骼和肌肉的力量。

但哈尔菲克和斯托克韦尔受伤的时机恰逢美国对肢体缺失的预防和治疗态度转变的黄金时期。全国性支持组​​织美国残疾退伍军人协会一直在呼吁改善对因假肢不合适而加剧背部和臀部疼痛的老兵的护理。与此同时，在伊拉克，凯夫拉防弹衣和光滑的战场外科手术装置使更多的受伤士兵（即使肢体缺失）存活下来，比以往任何一场战争都要多。政府官员敏锐地意识到受伤的越战老兵受到的粗暴对待——他们往往要等上几个月才能得到假肢——他们发誓不会让这些年轻男女受到同样的待遇。

除了目前最好的护理外，这一前景还引发了对未来的重大投资。科学家们被告知，不要只考虑插座和计算机化的身体延伸。跨领域合作。探索每一个角度——甚至蝾螈的再生能力[见第 74 页的“蝾螈秘密”。2005 年，退伍军人事务部预算 720 万美元，在罗德岛州普罗维登斯的 VA 医疗中心创建恢复和再生医学中心。今年，国防高级研究计划局——它已经为从扫雷机器人龙虾到睡眠剥夺研究的所有项目提供资金——开始为两个假肢项目提供 4850 万美元的资助，希望这些团队能在两年内设计出更强大、功能更强大的手臂，并在四年内设计出具有感知能力和更大运动范围的神经控制手臂。

最终目标是：制造出与身体互动的假肢，直接利用大脑的指令并发回进度报告。为此，假肢需要额外的传感器来收集速度、角度、步态和平衡的信息。金属、塑料和其他材料的改进将使假肢更轻、更灵活，更容易融入身体。假肢创新者、麻省理工学院媒体实验室生物机电一体化小组主任休·赫尔 (Hugh Herr) 表示，在协调和投入方面，“它需要一种曼哈顿计划”。赫尔是一位知识渊博的截肢者倡导者，自从十几岁在新罕布什尔州攀冰时因冻伤失去双腿以来，他已经佩戴了两个膝下假肢数十年。“我们正处于历史上许多核心技术正在接近实现的时代，”他说。“如果有资金，就会有机会进行戏剧性和深刻的创新——甚至好莱坞也会将其视为仿生学。”

艰苦的进步

第二次世界大战前，截肢者佩戴的都是静态假肢，比假肢好不了多少。后来出现了复杂的带子、电缆和滑轮密集型机械臂，可以打开爪子。到了 20 世纪 60 年代，苏联科学家发现截肢者的身体可以调用更多的资源。放置在皮肤上的电极可以检测到肌肉的肌电信号（收缩），并将其传输到电池供电的假肢，假肢可以弯曲或伸直手臂。到了 20 世纪 80 年代初，随着受伤的越战老兵的需求推动了研究，微处理器允许对运动和速度、旋转和屈曲进行分级。尽管如此，僵硬的假肢还是会做出一系列单独的、有时很不连贯的动作，而不是执行无缝组合的动作。这项技术已经超越了旧的肌电臂，它每次处理一个信号来移动肘部、手腕或手。但即使这些控件同时起作用，动作仍会很慢，需要佩戴者高度集中注意力。单是洗碗或穿衣服都会让人精疲力尽。

假肢佩戴者看到的创新比需要手臂的人更多，部分原因是下肢截肢者更多（占截肢者的 95%），这意味着对于那些致力于改进技术的人来说，市场更大。斯托克韦尔的 C 型腿由德国的 Otto Bock HealthCare 制造，采用微处理器和液压系统，一旦佩戴者的体重发生一定比例的转移，腿就会自动向前摆动。冰岛公司 Ossur 的新款 Rheo 膝盖与 C 型腿类似，使用微处理器来感知膝盖的位置和负荷，使腿能够适应人的步态。

但是这些高科技替代品无法告诉佩戴者肢体在空间中的位置。这些设备只能静音运行，无法与中枢神经系统共享信息，无法掌握用户的愿望，甚至无法与另一侧肢体协调。要知道 C-Leg 是否已经越过路边，唯一的办法就是直接看腿。“你的脚踝与另一只脚踝对话——你是分布式的，”Rheo 的发明者之一赫尔说。“截肢者还没有分布式。所以如果我使用 Rheo 或 C-Leg，我走路时看到前面有台阶，我没办法告诉我的膝盖。”

然后还有疼痛。假肢可能很重。如果手臂插座太紧，就会夹住；如果太大，假肢就会感觉不稳定。使用 C-Leg 六个月后，斯托克韦尔仍然能分阶段移动——躯干、臀部、腿部——讨厌被人盯着看。她决定即使在冬天也穿短裤。“我宁愿让他们看到我的腿，”她解释道，“也不愿让他们穿裤子，让他们疑惑，‘她怎么了？’”

仿生学：我们尚未拥有该技术……

一个人手臂或腿被截肢的位置越高，灵活性和活动范围就越小。失去一只脚总比失去一个膝盖好；失去一个手腕总比失去一个肘部好。失去多个关节，身体就失去了内旋、外旋、外展和内收——这些可爱而复杂的多关节动作可以让人喝冰茶或避开坑洼，而目前的假肢无​​法轻松模仿这些动作。

作为一名骨科医生，罗伊·亚伦深谙这一点。这位布朗大学医学院教授每次读到士兵失去手臂和腿的消息时都会感到十分震惊。这些士兵身体灵活、精力充沛、意志坚定，身体状况极佳。多年佩戴现有的假肢会让他们因关节炎和其他过度使用而致残。

当亚伦的身体崩溃时，他有时间更深入地思考这个问题。2004 年，他因背部疼痛卧床数月，口述了一个多管齐下的假肢项目的笔记。该项目将结合组织工程、电子、冶金、神经学和机器人技术，利用一系列技术来创造混合肢体（部分是生物的，部分是合成的），有朝一日，截肢者将能够灵活无痛地移动，他们的思想和身体将再次融为一体。亚伦想，如果研究人员能够替换丢失的组织和神经，并将新肉体与能够感知佩戴者思想和身体想要做什么的智能机器人假肢结合起来，这些年轻人将能够再次轻松移动。

亚伦选择的时机再好不过了——他的远见帮助 VA 获得了一些新的资金，用于创建修复和再生医学中心。在那里，他正在寻找挽救受损关节和延长残肢（通常称为残肢）的方法。他的探索是让人类模仿蝾螈，蝾螈是一种蝾螈，也是进化等级中可以再生肢体的最高等动物。“切断肢体，它就能再生出整条手臂或整条腿，包括脚趾和所有东西，”他说。“我必须弄清楚如何与这些蝾螈交谈，并找出它们是如何做到这一点的。”

但这项技术所承诺的美好未来对于哈尔菲克来说太过遥远，她与沃尔特里德医院的一位定制假肢设计师合作，设计出一种轻便、逼真但完全没有功能的假肢。设计师们制作了一个半透明的硅胶插座衬垫，紧贴着她的伤疤，并用胸罩带固定。他们在上面拧了一根铝棒，铝棒上有可以弯曲成各种形状的管子。然后他们添加了聚氨酯泡沫衬垫，最后是可以弯曲到位的不锈钢手指。她的新手臂是由《犯罪现场调查：迈阿密》的一位前化妆师手绘的，以匹配她的另一只手臂，包括雀斑。没有马达，没有传感器，没有微处理器。除了心理上没有任何用处：它会填满哈尔菲克的袖子，让她乍一看就看起来很完整。“我想看起来像以前一样，”她说。“谁不想呢？”

融合身体与仿生学

在制造适合哈尔菲克人的假肢的过程中，有许多障碍，其中最关键的障碍之一就是假肢与肉体接触的地方——接受腔。目前已经出现了许多关于接受腔的创新，包括用于悬挂肢体的真空接受腔和用于添加或移除液体以保持一致贴合的吸力接受腔。但最好的选择是完全取消接受腔。

1952 年，瑞典矫形外科医师 Per-Ingvar Branemark 发现，将钛棒插入兔子的骨头中，可以很好地融合。他称之为骨整合，该技术在牙科植入方面效果显著，假牙安装在固定在患者骨下的棒上。1990 年，Branemark 的儿子 Rickard（瑞典哥德堡萨尔格伦大学医院的矫形外科医师）通过手术将棒植入人类患者的骨骼中，作为假肢手臂或假腿的稳定基座。但有几名患者出现了并发症。皮肤从未在棒周围融合，就像伤口一样，并引发感染。

在布朗大学，分子生物学家杰弗里·摩根和工程系主任克莱德·布莱恩特正在寻找阻止此类感染的方法。布莱恩特正在试验钛和合金，以寻找一种既坚固又与人体组织相容的组合。摩根正在培育能粘附在金属上的皮肤细胞，形成天然密封。这应该不是不可能的：“布朗大学的学生，”他观察到，“鼻子上都有穿孔。”

一旦科学找到了安装假肢的更好方法，假肢本身也需要变得更智能，能够根据大脑直接发出的信号采取行动。以田纳西州代顿市的电力线路工人杰西·沙利文为例，他在 2001 年工作中触电身亡，失去了双臂。一年后，医生将控制他左臂的四条神经（不再注入肌肉）从肩部转移到胸肌。六个月后，芝加哥康复研究所假肢神经工程中心主任托德·库肯在神经中检测到了信号。库肯的团队在沙利文的胸部表面布满了电极，并用电线将它们连接到多关节假肢上。目标是通过重定向沙利文被切断的神经发出的信号，将大脑连接到假肢上。它成功了。当医生让沙利文考虑张开手时，装置几乎本能地弹开了。“那是我受伤以来感觉最棒的一次，”沙利文说。他现在可以吃饭、割草和洗衣服，但他的手臂只发挥了神经潜在力量的一小部分。库伊肯说，控制手闭合的神经控制着至少 20 块肌肉，“我只用它来接收两种不同的信号。如果我们能弄清楚，我们可能会越来越好地控制它。”库伊肯目前正在开发传感器，让沙利文能够感觉到他正在触摸的东西。

为假肢提供动力的另一种方式是绕过神经，直接接入大脑。这就是布朗大学脑科学项目主任兼马萨诸塞州福克斯堡 Cyber​​kinetics 神经技术系统首席科学官 John Donoghue 正在努力实现的目标，他发明了 BrainGate。2004 年，这块芯片被植入瘫痪的 25 岁刺伤受害者 Matt Nagle 体内。Nagle 的初级运动皮层中植入了这个四平方毫米的芯片，让他可以思考将电脑屏幕上的光标向右移动。他的神经元以一定的模式发射，这些数据通过固定在他头骨上的插头传输到电脑，然后移动光标。很快，BrainGate 的开发人员就雄心勃勃了。他们把一个绑在电脑上的假肢放在 Nagle 的腿上，告诉他张开手。他仅凭意念就张开了手，当手张开时，他惊讶地咒骂起来。Donoghue 承诺未来的版本将以无线方式操作； Cyber​​kinetics 正在开发一种使用无线发射器和完全植入式电源的控制系统。

全接线肢体

随着时间的推移，大脑将需要开始从它发送信号的假肢那里听到反馈。它通常会从人类的腿部接收一系列感官反馈 - 正在导航的地形、斜坡的倾斜度 - 并可以发出需要进行调整的信号。下一代假肢将装载比 Rheo 和 C-Leg 更多的传感器。它们将接收许多（如果不是全部的话）生物关节接收到的提示，并能够跟踪自己的倾斜度、向前的推力和空间方向。

但是，在假肢中嵌入传感器只有当这些传感器能够与佩戴者的大脑和脊髓进行通信时才有用。这种通信最有希望的中间人是一种叫做人工神经细胞（BIONs）的发明，即“仿生神经元”。这些植入式设备（装有电极的厘米长玻璃胶囊）由南加州大学阿尔弗雷德·E·曼恩研究所的研究人员开发，已经成功注射到患者的肌肉和神经中或附近，用于治疗瘫痪和刺激中风和关节炎患者的肢体。研究人员目前正在研究 BION2，它将放大现有的神经信号——向肌肉发送指令并处理来自肢体的反馈——并可能改善假肢（如具有活动手指的手）与其佩戴者大脑之间的通信。

当这些传感器确定一条腿需要额外的动力时（例如，爬上坡），它们可能会与计算机控制的马达（也集成在假肢中）协同运行，为佩戴者提供助力。赫尔和他的团队设计了一种“活动脚踝”，它可以像弹簧一样工作，或者增加或耗散能量。他的原型在脚踝处有一个马达和一系列弹簧。佩戴者将在剩余的腿部肌肉中植入无线传感器，这些传感器将与脚踝内部的计算机进行通信，在需要时增加动力。赫尔亲自尝试过这种设备，并形容它相当于跳上电动机场航站楼走道。“如果它是一种产品，”他说，“我会称之为 Catapult。”

随着所有这些技术的不断完善，假肢的外观将越来越像真人肢体，甚至可能从内部看起来也越来越像真人肢体，因为人体设计非常适合其多种任务。多关节手指将取代只有三根无关节手指的手，以实现更自然的灵活性。机械膝盖和脚踝将逐渐变得更加流线型和高效。最终，甚至连激活关节的方式也将变得更加像人类。

加州门洛帕克 SRI 国际公司的高级研究工程师 Roy Kornbluh 一直在试验一种电活性聚合物，也称为人造肌肉，这种聚合物在施加电压时会膨胀，在关闭电压时会收缩。“电压越高，它伸展得越厉害，”Kornbluh 说。这个过程模仿了人类肌肉，它会根据化学信号改变形状。

深思熟虑的每一步

当一名士兵失去一条腿时，她要花几个小时接受物理治疗，仅仅是为了学会站立。斯托克韦尔一开始拄着拐杖。接下来，她用两根拐杖站立。然后是一根。她用一条腿站立。她站着扔球。最后，她用 C 型腿站立，蹒跚地走下双杠。随着时间的推移，她摆脱了双杠。然后，她拉着坐着的理疗师在房间里走来走去，像马一样用一些长长的弹性弹力带束缚着。跑步是最后一步，也是佩戴者成功控制身体机械力学的最终标志。她曾尝试用没有假膝的腿跑步，这迫使她以打蛋器式的圆形动作踢腿。这种努力让她筋疲力尽。

她的假肢师艾略特·温特罗布 (Elliot Weintrob) 有另一个想法。去年早春的一个寒冷的日子，温特罗布、斯托克韦尔和她的丈夫迪克（也是一名士兵）驱车前往弗吉尼亚州北部的一条跑道。斯托克韦尔滑入一个由奥索全膝关节和弹性奥索 Flex-Run 脚组成的关节窝，弹性奥索 Flex-Run 脚是一个形状像倒置大问号的弹簧。膝盖可以自由向前摆动，但如果她开始摔倒，就没有 C 型腿那样的抓握和锁定能力。

斯托克韦尔对丈夫说：“我很害怕。”她把头发掖到耳后。

“你能做到的，”他轻声回答。他们走到中间的一条车道上，他低声在她耳边说：“出发！”

她迈着断断续续的长步，假肢向前摆动。出于习惯，她做出了打蛋器的动作。温特罗布指出了这一点。

“我感觉好多了，”她满怀希望地说。她又开始跑，步态笨拙，时而起时而倒。她停了下来，脸涨得通红，一缕缕头发在脸上打转。她又开始跑。从她快速、短小的步伐可以看出她很疼，她的胳膊紧紧地贴在身上。她跑得像被脚趾撞了一下一样——一次又一次。

最终，她掌握了技巧。几个月后，她的腿恢复了功能，可以参加公路赛和铁人三项比赛，在铁人三项比赛中，她使用手摇自行车。去年秋天，斯托克韦尔在经历的启发下，开始在明尼苏达州的一所大学学习假肢，同时她坚信自己选择的领域最终会过时。她兴奋地说，一个世纪后，假肢将不再是必需的：医生将再生肢体！

然而，去年春天在赛道上，她的背很痛，臀部被擦伤，她厌倦了思考下一步该把左腿放在哪里。“每一步，”她说。“我每一步都在思考。”

苏珊娜·萨塔琳（Suzanne Sataline）是《华尔街日报》驻波士顿的记者。