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总会有 C 计划——西点军校就是这么教你的。如果道路被炸毁，桥梁断裂，而你的对手部队正向你左翼集结，你就得寻找一条新路，建造一座新桥。这就是陆军的 DNA，一名成功战士的基石，自从她进入这所精英军事学院的最初几周，以及作为女子篮球队的守门员以来，这基因就一直流淌在 Dawn Halfaker 上尉的血液里。不断前进。总有另一条路。
然后你毕业了，因为你是一个热衷于武器和异国文化、喜欢冒险的人，你被分配到巴格达郊外的一个军事警察局工作。2004 年 6 月的一天清晨日出前，你正在一辆悍马车上进行例行巡逻，突然有人向你发射了一枚火箭弹。这是一次幸运的命中。炸弹钻入车厢，砍断了你战友的手臂，并将你的手臂炸得粉碎，肌腱和肌肉变成了一堆烂泥。叛乱分子没有得逞的，外科医生完成了，只给你留下破碎的右肩胛骨以下的一切期望。
你才 24 岁，是计算机时代的产物。当你醒来得知你再也没有右臂来写字、吃饭和投篮时，你就知道，发明了超级计算和修复手术的国家能给你一些闪闪发光、令人惊叹的东西。一只手臂足以媲美《我，机器人》中威尔·史密斯的那个。
自伊拉克和阿富汗战争以来，已有 370 多名美国士兵接受了截肢手术。事实上，华盛顿特区沃尔特·里德陆军医疗中心的三楼有轮椅交通堵塞。正是在那里，Halfaker 与 Melissa Stockwell 结下了友谊，Stockwell 曾是一名体操运动员和攀岩运动员，她刚到巴格达才几周，就在 2004 年 4 月因路边炸弹失去了左腿。
两个女人因挫败感而变得亲近。26 岁的 Stockwell 得到了微处理器增强的 C-Leg 假肢，但花了几个月时间才摆脱疼痛地行走，她希望那只固定着她所谓的“小腿”的大硅胶接受腔不会磨损或移位，暴露她的跛行。Halfaker 是唯一一名肩部离断的女性士兵，她的右侧光秃秃的，像一道陡峭的悬崖。假肢技师最初为她安装了一个部分机械、部分电池供电的手臂，用一个厚厚的塑料接受腔固定，这个接受腔戴起来像盾牌，并用魔术贴固定在她的身上。该装置依靠肌肉力量工作；她耸肩时，滑轮和电缆会触发电动手臂打开一个笨重的爪子。这是从一场旧战争中诞生的假肢，不舒服且笨拙，让她觉得自己像一个儿童玩具，她向假肢技师表达了她的不满。“我不想有一个重达 20 磅的手臂。我想要一个重达 3 磅的手臂，”她告诉他们。一些不会拖慢她速度的东西。她被提供了一个钩形手，一副二战后悲情电影《黄金时代》里的道具。“因为，”Halfaker 说，“它看起来像个钩子。”
就这样。没有 C 计划。对 Stockwell 来说，没有一条腿和接受腔能让她快速、无痛地行走，并且不会在她苍白的腿上留下红肿的痕迹。对 Halfaker 来说，没有一只手臂足够结实、灵巧、轻便，让她能塞进丝绸衬衫里。Stockwell 坚持不懈，学会了用她新的机械腿走路，尽管有明显的跛行。她适应了。Halfaker 反抗了，把手臂扔在一旁。她学会了用一只手臂洗澡、穿衣、开车和跑步，空袖子在她身边飘荡。她也适应了。
但是，不久的将来，部分原因是为了像 Stockwell 和 Halfaker 这样的伊拉克退伍军人的经历，假肢佩戴者将不必如此适应。适应的将是假肢。
假肢的曼哈顿计划
假肢患者的假肢在速度、灵活性、舒适度或外观上都不是最理想的。这部分是因为市场虽然稳定，但规模很小，而且用于推进假肢技术的资金不像癌症研究那样充裕。美国约有 180 万截肢者——主要是老年中风和糖尿病患者——但假肢用户数量显著较低。另一个限制因素当然是机械复制人体的运动和灵巧性的巨大挑战，这与骨骼和肌肉的力量一样，依赖于与大脑的双向交流。
但 Halfaker 和 Stockwell 受伤的时机恰好是我国对肢体损失的预防和治疗态度的有利时期。全国性的支持组织“美国伤残退伍军人”一直在游说改善老年退伍军人的护理，他们因假肢不合适而加剧的背部和臀部疼痛而行动不便。与此同时，在伊拉克，防弹衣和精良的战场外科手术单位使更多受伤的士兵得以幸存（即使是失去肢体），比以往任何战争都要多。政府官员深知对受伤的越南退伍军人的恶劣待遇——他们常常等待数月才能获得假肢——并发誓不会对这些年轻男女采取同样的待遇。
除了现有的最佳护理外，这项承诺还引发了对未来的重大投资。科学家们被告知，不要只考虑接受腔和计算机化的身体延伸。要跨领域合作。探索每一个角度——甚至包括蝾螈的再生能力（参见第 74 页的“蝾螈的秘密”）。2005 年，退伍军人事务部拨款 720 万美元，在罗德岛普罗维登斯退伍军人事务医疗中心创建了修复与再生医学中心。今年，国防高级研究计划局——它资助了从扫雷机器人龙虾到睡眠剥夺研究的一切——开始为两个假肢项目提供 4850 万美元的资金，希望这些团队在两年内开发出更坚固、功能更强的假肢，并在四年内开发出具有神经控制、感觉能力和更大运动范围的假肢。
最终目标是：创造能与身体互动、直接响应大脑意愿并回传进展报告的假肢。为了实现这一点，人造肢体需要额外的传感器来收集速度、角度、步态和平衡信息。金属、塑料和其他材料的改进将使假肢更轻、更灵活、更容易集成到身体上。麻省理工学院媒体实验室生物机电学研究组主任、假肢创新者 Hugh Herr 表示：“这在协调和承诺方面需要一种‘曼哈顿计划’。”Herr 是一位知识渊博的截肢者倡导者，他自己几十年来一直穿着两条膝盖以下的假肢，自从十几岁时在纽约州冰上攀登时因冻伤而失去双腿。“我们正处在一个许多核心技术都即将成熟的历史时期，”他说。“如果有资金，就有机会实现戏剧性和深刻的创新——即使是好莱坞也会视为仿生学。”
艰苦的进步
第二次世界大战前，截肢者佩戴静态假肢附件，这比木腿好不了多少。然后出现了复杂、带有皮带、电缆和滑轮的机械手臂，可以张开爪子。到了 20 世纪 60 年代，苏联科学家发现截肢者的身体拥有更多可调用的资源。放置在皮肤上的电极可以检测肌肉的肌电信号——其收缩——并将其传输到电池供电的假肢，从而弯曲或伸直手臂。到了 20 世纪 80 年代初，随着受伤的越南退伍军人需求推动了研究，微处理器允许实现运动和速度的渐变，以及旋转和屈曲。然而，僵硬的假肢会进行一系列许多单独的、有时是生硬的动作，而不是流畅地组合动作。这项技术已经超越了旧的肌电手臂，后者一次只能处理一个信号来移动肘部、手腕或手。但即使这些控制同时运行，动作也可能很慢，并且需要佩戴者的高度集中。仅仅是洗碗或穿衣服都可能让人筋疲力尽。
与需要手臂的人相比，假肢腿佩戴者看到了更多的创新，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。Stockwell 的 C-Leg 假肢由德国 Otto Bock HealthCare 公司制造，它采用微处理器和液压系统，一旦佩戴者体重转移到一定百分比，假肢就能自动向前摆动。冰岛公司 Ossur 的新型 Rheo 膝盖与 C-Leg 类似，使用微处理器来感应膝盖的位置和负荷，这使得假肢能够适应佩戴者的步态。
但这些高科技替代品无法告诉佩戴者肢体在空间中的位置。这些装置处于静默的隔离状态，无法与中枢神经系统共享信息，无法理解用户的意愿，甚至无法与另一侧肢体协调。要知道 C-Leg 是否协商通过了路缘石的唯一方法是直接查看假肢。Herr，Rheo 的发明者之一说：“你的脚踝会和你另一只脚踝交流——这是分布式的。截肢者还没有分布。”“所以，如果我使用 Rheo 或 C-Leg，我在走路，看到前面有台阶，我无法告诉我的膝盖。”
还有疼痛。假肢可能很重。如果手臂接受腔太紧，会挤压；太松，假肢腿就会感觉不稳定。使用 C-Leg 假肢六个月后，Stockwell 仍然分阶段移动——躯干、臀部、腿——她讨厌别人盯着看。“我宁愿他们看到我的腿，”她解释道，“也不愿穿裤子让他们猜测‘她怎么了？’”
仿生学：我们还没有（还）拥有这项技术。
手臂或腿部截肢的部位越高，灵活性和运动范围就越小。失去脚比失去膝盖好；失去手腕比错过肘部要好。剥离多个关节，身体就会失去旋前、旋后、外展和内收——那些可爱、复杂的、多关节的动作，让人能够喝冰茶或侧身避开路上的坑洼，而当前的假肢却无法轻松模仿。
作为一名骨科医生，Roy Aaron 理解这一点。布朗大学医学院的教授每次读到关于手臂和腿部受伤的士兵时，都会感到肃然起敬。这些人身体矫健，积极，意志坚定，身体处于最佳状态。多年佩戴现有假肢会让他们因关节炎和其他过度使用损伤而残疾。
在 2004 年因背部不适卧床几个月期间，Aaron 有时间深入思考这个问题。他口述了一份关于多方面假肢项目的笔记。这项工作将结合组织工程、电子学、冶金学、神经病学和机器人技术，利用一套技术来创造混合肢体——部分生物，部分合成——有一天将使截肢者能够灵活、无痛地运动，他们的思想和身体再次作为一个整体协同工作。Aaron 认为，如果研究人员能够替换失去的组织和神经，并将新生的组织与智能机器人假肢整合起来，这些假肢能够感知佩戴者身心的意愿，那么这些年轻人就能再次轻松地运动。
Aaron 的时机再好不过了——他的远见帮助获得了新的退伍军人事务部资助，用于创建修复与再生医学中心。在那里，他正在寻找保存受损关节和延长残肢（通常称为残肢）的方法。他的目标是让人类模仿六角蝾螈，这是一种蝾螈，也是进化阶梯上最高等的动物，它能够再生肢体。“砍掉一条肢体，它就能再生一条完整的胳膊或一条完整的腿，包括脚趾和所有东西，”他说。“我必须弄清楚如何与这些蝾螈对话，找出它们是如何做到的。”
但这项技术承诺的美好未来对于 Halfaker 来说太遥远了，她与沃尔特·里德的一位定制假肢设计师合作，制作了一个轻巧、逼真——但除此之外完全无效——的假肢。设计师制作了一个半透明的硅胶接受腔内衬，贴合她的疤痕，并用胸罩带固定。在上面，他们拧上了一根铝杆，上面有管道，可以弯曲成几种位置。然后，他们添加了聚氨酯泡沫衬垫，最后是可以用手弯曲位置的不锈钢手指。她的新手臂由一位前《犯罪现场调查：迈阿密》的化妆师手工绘制，以匹配她另一只手臂的雀斑。没有电机，没有传感器，没有微处理器。除了心理上的作用，没有任何实用性：它会填满 Halfaker 的袖子，让她一眼看上去完整。“我想看起来像我以前的样子，”她说。“谁不想呢？”
融合身体与仿生学
在创造 Halfaker 式假肢的道路上，许多障碍中，最关键的一个是接受腔，即皮肤和假肢相遇的地方。接受腔方面已经有了许多创新，包括可以悬挂肢体的真空接受腔和可以通过添加或移除流体来保持贴合的吸力接受腔。但最好的选择是完全摆脱接受腔。
1952 年，瑞典骨科医生 Per-Ingvar Branemark 发现，将钛杆插入兔子骨骼中会很好地融合。他称之为骨整合，这项技术在牙科植入物中效果非常好，即种植在患者基础骨骼中的植入物上构建的假牙。1990 年，Branemark 的儿子 Rickard，一位在瑞典哥德堡萨尔格伦大学医院工作的骨科医生，将钛杆手术植入人体患者的骨骼中，作为人造手臂或腿的稳定基础。但几名患者出现了并发症。皮肤从未与钛杆融合，就像伤口一样，并引发了感染。
在布朗大学，分子生物学家 Jeffrey Morgan 和工程学院院长 Clyde Briant 正在寻求方法来阻止这类感染。Briant 正在试验钛和合金，以寻找一种强度高且与人体组织兼容的组合。Morgan 正在培养附着在金属上的皮肤细胞，形成天然密封。这不应该不可能：“布朗大学的学生，”他观察道，“都有穿鼻环。”
一旦科学解决了更好地固定人造肢体的方法，假肢本身就需要变得更智能，能够响应直接来自大脑的信号。以 Jesse Sullivan 为例，他是一名来自田纳西州代顿的电力线路工，2001 年因触电事故导致双臂在肩部截肢。一年后，医生将控制他左臂（已不再向肌肉输送信号）的四根神经从肩部区域转移到了他的胸肌。六个月后，芝加哥康复研究所人工智能肢体神经工程中心主任 Todd Kuiken 在这些神经中检测到了信号。Kuiken 的团队在 Sullivan 的胸部表面布满了电极，并将它们通过电线连接到一个多关节假肢上。目标是通过重定向 Sullivan 截断神经的信号来连接大脑与人造手臂。这奏效了。当医生让 Sullivan 思考张开手时，假肢几乎是本能地张开了。“这是我受伤以来最棒的感觉，”Sullivan 说。他现在可以吃饭、割草和洗衣服，但他手臂的功能只发挥了神经潜在能力的很小一部分。Kuiken 说，控制手部闭合的神经至少控制 20 块肌肉，“而我只使用了两个不同的信号。如果我们将其细分，我们可以获得越来越好的控制。”Kuiken 现在正在开发传感器，让 Sullivan 能够感受到他触摸的东西。
驱动人造肢体的另一种方法是绕过神经，直接连接大脑。这正是布朗大学脑科学项目主任、马萨诸塞州福克斯伯勒 Cyberkinetics Neurotechnology Systems 公司首席科学官 John Donoghue 正在努力的目标。他发明了 BrainGate，这是一款于 2004 年植入一名 25 岁的捅伤受害者 Matt Nagle 的芯片。在他的初级运动皮层中，这块四平方毫米的芯片让 Nagle 思考将电脑屏幕上的光标向右移动。他的神经元会以特定的模式放电，这些数据通过附着在他头骨上的插头传输到电脑，电脑就会移动光标。很快，BrainGate 的开发者变得雄心勃勃。他们将一个通过电脑连接的人造手臂放在 Nagle 的腿上，让他思考张开手。他做到了，只是通过思考，然后惊叹于手掌的展开。Donoghue 承诺未来版本将实现无线操作；Cyberkinetics 正在开发一种使用无线发射器和全植入式电源的控制系统。
完全连接的肢体
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。它通常会接收到人腿的各种感觉反馈——正在导航的地形、斜坡的倾斜度——并能够发出需要进行的调整信号。下一代假肢将比 Rheo 和 C-Leg 拥有更多的传感器。它们将能够捕捉生物关节接收到的许多（如果不是全部）线索，并能够跟踪自身的俯仰、前进推力和空间方向。
但是，在假肢中嵌入传感器只有在这些传感器能够与佩戴者的大脑和脊髓通信时才有用。这种交流最有希望的中间人是一项名为“人工神经元”或 BIONs——“仿生神经元”的发明。由南加州大学阿尔弗雷德·E·曼恩研究所的研究人员开发的这些可植入设备（厘米长的玻璃胶囊，配有电极）已经成功地注入到患者的肌肉和神经中，用于治疗瘫痪以及刺激中风和关节炎患者的肢体。研究人员现在正在开发 BION2，它将放大现有的神经信号——将指令发送到肌肉并处理来自肢体的反馈——并可能改善像带有活动手指的手这样的假肢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动力时——例如，为了上坡——它们可能会与假肢内部集成的计算机控制的电机协同工作，为佩戴者提供助力。Herr 和他的团队设计了一个“主动踝关节”，它可以像弹簧一样工作，或者增加或消散能量。他的原型在踝关节处有一个电机和一系列弹簧。佩戴者将在其剩余的腿部肌肉中植入无线传感器，这些传感器将与踝关节的内部计算机通信，在需要时增加动力。Herr 自己尝试过该设备，并将其描述为相当于跳上一个带动力的机场传送带。“如果这是一件产品，”他说，“我会称之为‘弹射器’。”
随着所有这些技术的不断完善，人造肢体从外部看起来将越来越像人类肢体——甚至可能从内部也一样，因为人类的设计非常适合其多项任务。多关节手指将取代只有三个无关节手指的手，以实现更自然灵巧的动作。机械膝盖和踝关节将变得越来越精简和高效。最终，即使是驱动关节的方式也将变得更像人类。
加州门洛帕克 SRI 国际公司的资深研究工程师 Roy Kornbluh 一直在研究一种电活性聚合物，也称为人造肌肉，它在施加电压时会膨胀，在电压关闭时会收缩。“电压越高，它拉伸得越多，”Kornbluh 说。这个过程模仿了人类肌肉，人类肌肉会响应化学信号改变形状。
仔细考虑每一步
当一名士兵失去一条腿时，她会花几个小时进行物理治疗，仅仅是为了学会站立。Stockwell 最初是靠拐杖。接下来，她使用两根手杖站立。然后是一根。她单腿站立。她站着扔了一个球。最后，她站在 C-Leg 假肢上，沿着平行杠蹒跚而行。过了一段时间，她就能在没有杠子的情况下行走了。然后她像骑马一样，套上一些长长的弹性Therabands，拉着她坐着的物理治疗师在房间里转圈。跑步是最后一步，是佩戴者成功驾驭身体-机器力学的终极标志。她试图在没有假肢膝盖的腿上跑步，这迫使她像打蛋器一样画圈踢腿。这让她筋疲力尽。
她的假肢技师 Elliot Weintrob 有另一个主意。去年早春的一个寒冷的日子，Weintrob、Stockwell 和她的丈夫 Dick（他也是一名士兵）开车去了弗吉尼亚北部的一个跑道。Stockwell 穿上了一个接受腔，该接受腔由一个 Ossur Total Knee 和一个有弹性的 Ossur Flex-Run Foot 组成，这个脚部像一个大大的倒问号。膝盖可以自由向前摆动，但没有 C-Leg 那样在开始摔倒时能捕捉并锁定的能力。
“我害怕，”Stockwell 对她丈夫说。她把一些头发塞到耳后。
“你能行的，”他轻声回答。他们走到中间的跑道，他耳语道：“开始！”
她迈出了六个踉跄的长步，她的假肢向前摆动。习惯性地，她做出了打蛋器式的动作。Weintrob 指出了这一点。
“我感觉好多了，”她充满希望地说。她又开始跑了，步态笨拙地起伏。她停了下来，脸涨得通红，几缕头发在她脸上飞舞。她又开始跑了。你可以看出这很痛苦，因为她步伐急促而短促，手臂紧贴身体。她跑得就像脚趾被撞到了——一次又一次。
最终，她掌握了技巧。几个月后，她设法让她的腿能够胜任地参加公路赛和铁人三项比赛，在那里她使用自行车曲柄。去年秋天，受她的经历启发，Stockwell 开始在明尼苏达州的一所大学学习假肢，同时坚信她选择的领域最终将过时。她说，一百年后，假肢将不再需要：医生将能够再生肢体！
但是，去年春天在跑道上，她的背很疼，臀部被磨破了，她厌倦了思考下一步该把左腿放在哪里。“每一步，”她说。“我都要考虑每一步。”
Suzanne Sataline 是《华尔街日报》驻波士顿的记者。
