无论从外观上还是功能上，下一代仿生臂都将媲美真实的手臂，使用者对其的触感和控制比以前会有很大的提高——
图为外形酷似真实手臂的仿生臂
今年2月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)批准了一项为期4年的模拟人类肢体的仿生臂研制计划。无论从外观上还是功能上，下一代仿生臂都将媲美真实的手臂，使用者对其的触感和控制比以前会有很大的提高。
这项义肢器官修复计划涉及到30多个研究机构，包括加拿大、欧洲美国的10所大学：其中加拿大新布伦瑞克大学负责真实手臂的信号处理和模式识别；盐湖城犹他大学负责大脑植入电极的开发；而位于马里兰州的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的职责是——照DARPA项目主管科洛尼尔七·林(Colonel G.Ling)的说法——负责“牧猫”（管人如同牧猫），即组织该计划的实施。参与该项目的科学家说，DARPA过去已经在这一项目上投入了3400万美元。
“原型1号、2号”仿生臂
仿生臂研制项目诞生于2005年，其目的是超越二战以来停滞不前的“钳状机器手”的人造肢体技术。当初DARPA将该计划分成两个独立的项目：其中一项是尽可能地利用现有技术，由新罕布什尔州的迪卡研究发展公司在两年内（到2007年）研制出最先进的机械手臂；另一项则由约翰·霍普金斯大学的APL负责，在2007年研制出达到最新技术水平的仿生臂(APL在2007年研制出第一个名为“原型1号”的仿生臂，该仿生臂大约拥有8个关节或自由度）。
APL的第二代仿生臂称为“原型2号”也于2007年研制完成，拥有25个自由度，几乎与人类肢体同样灵活。APL项目主管斯图尔待哈什巴格(Stuart Harshbarger)说，在未来两年里，改进后的“原型2号”将拥有15个独立的马达，具有史无前例的灵活性。”这表明我们可以研制出一个可行的机械义肢系统，能够完成正常肢体的手指动作。但问题的重点在于，要制造一个真正意义上的仿生手臂远远不止机械上的突破、处理能力的强大或者电池的经久耐用，因为这些都不能给使用者带来完全真实的感觉。
哈什巴格举了个喝苏打饮料的例子，即复杂的神经反馈系统将原生肢体与它的使用者联系起来——神经系统不断地自我调整，如倾斜手腕，以平衡饮料罐内不断变化的液面。这个动作看似很普通，但对于目前的义肢用户则并非如此。喝苏打饮料时他们需要专心致志，必须首先控制好仿生臂伸展到空中的位置，然后再切换模式旋转手腕。之后，还必须张开手掌握住饮料罐并抓紧它（用力需恰到好处，太小了会摔掉，太大了则会捏扁），随后再切换模式转动胳膊肘将易拉罐位于嘴前，其间还包含手腕的旋转，最后则把注意力集中在喝的动作上，以防止饮料洒落。
仿生臂感官反馈系统
目前所有的仿生臂都是依赖使用者通过一系列的直线性步骤控制的。现今市场上最好的义肢／产品拥有3个自由度－移动胳膊肘、旋转手腕以及张握手掌，但不能同时做出这些动作。尽管今年即将进入临床试验的迪卡仿生臂具有18个自由度，可以允许几个关节同时运动，但没有直接的神经连接。即便是目前最先进的仿生臂，使用者在使用时也需高度集中注意力。这也是义肢操作时与原生手臂自然举止的根本区别；而使义肢能与原生手臂的举止相似，感官反馈系统则是至关重要的一个组成部分。
仿生臂感官反馈系统的研制尚处于萌芽阶段。目前市面上最好的义肢机械系统是由一个振动电机构成（贴近皮肤），通过振动可以实现力的反馈，这种反馈更像是一股抓力。当然，DARPA研究的远不止这些，其最终目标是希望仿生臂能给使用者带来真实的感觉，比如压力质感，甚至温度。
沙利文挥舞着改进后的“原型1号”仿生臂
“原型l号”已经在人造手掌上集成了力的传感器，可以让使用者“原型2号”在上述突破的基础上扩展到100个传感器，将人体的神经信号与仿生臂连接起来，形成一套感官反馈回路：仿生臂使用者在接触物品时会产生反馈——接触的是什么物品、物品是否光滑手握物品时的力度、物品的温度等信息。有了这些信息，使用者可以即时做出反应。
在接下来的研究中发现，感官反馈回路的控制将直接影响仿生臂的使用。哈什巴格的研究团队目前正在研究4类不同级别的神经接触——每一级别的接触都提高了义肢的控制和感觉能力，对接触产生感觉。哈什巴格说，不过也增加了手术的难度。
可注射肌电传感器(IMES)
对于一些简单的动作，比如抓球，最基础的接触（针对低级别的截肢）是使用电极与残余肢体表面的皮肤连接。毕竟手没有了，不再受肌肉和神经的控制。那么如何给不存在的手（仿生臂）传输信号，APL的研究人员利用连接残余肌肉的电极探测并放大这些信号。之后，进行信号处理和模式识别运算，将电脉冲转换成操控仿生臂马达和微处理器的指令。不过在电极放大信号的过程中，不能对所有的信号进行滤噪处理（信号从残余肌肉透过皮肤时，会产生噪音信号），有些电脉冲因此可能丢失，导致获取的信号不够精准。虽然使用者可以按照自己的意愿打开或闭合手掌，但更细微的手指动作则难以完成。
举例来说，仿生臂使用者如通过直接收缩蚓状肌拿一把钥匙或者一支笔，被称作可注射肌电传感器(IMES)的感应信号会绕过肌肉和皮肤干扰层（形似米粒般微小的IMES被注入残余的肌肉组织中，可以像连接在皮肤表面的电极一样工作）。“肌肉兴奋时，我们可以从源头捕获到信号，”哈什巴格说，“从而替代在皮肤表面获取信号。”这也意味着根据截肢的级别，使用者甚至可以控制单个手指的动作。
IMES是由安装在义肢中的线圈提供永久动力，根本不需要电池。关于这一点，哈什巴格强调，他们在灵长类动物体内植入了9个IMES长达6个月，没有产生负面影响。”事情顺利地让人惊奇，“哈什巴格说，“这些设备非常稳定，对动物也没造成危害。”由于IMES系统依赖截肢的级别和可用的植入点一一也就意味着，如果你手臂上连植入IMES的肌肉都没有，那你就很不走运了。
目标肌肉神经移植术
对于更高位的截肢，如两个手臂都从肩膀处截掉，那就没有肌肉供IMES植入了。处于这种情况的残余肢体的接触回路，应该通过外科手术或植入电极与外围神经的联接。目前，芝加哥康复研究中心已经在这方面取得了很大的成功——一项称为目标肌肉神经移植术(TMR)的手术，将被截除的肢体上的神经移植到伤口附近的新肌肉上，开启了一条直接连接神经和仿生臂的线路。
对于一个双臂完整的人来说，其在移动手臂时，表示动作意图的神经信号在神经中传递（其峰值在肌肉末端产生波动），进而在皮肤表面产生符合手掌和手臂特征的电信号。这些神经从脊髓沿着肩膀锁骨分布到腋窝，大约连接着80000个神经纤维供大脑向手臂发出指令。而当手臂从肩膀处截掉后，原生神经仍然还存在，但是它们所控制的肌肉则不存在了。
据此，芝加哥康复研究中心的托德·库肯(Todd Kuiken)研发出了这套手术方案(TMR)，将神经移植到胸部——手术将位于锁骨下的神经延伸到胸部，以替代之前延伸到腋窝的神经。大约6个月后，这些神经分布到杯口大小的胸部肌肉中。这时，当被截肢的人试图收缩他的肱二头肌时，胸部的肌肉相应会作出回应。
库肯知道，当表面电极无法辨别前臂肌肉还是胸部肌肉收缩时，这将是有意识地控制手臂的最好方式。耶西·沙利文(Jesse Sullivan)是一名电工，2001年时不慎被高压电击伤，从此失去了双臂。在DARPA的一次展示会上，沙利文在交谈过程中挥舞着改进后的“原型l号”很自然地做着手势，与记者握手时也不需要调整力度，还可以捡小糖果吃。总体上来说，手臂的动作非常自然。
值得注意的是，在一个小型振动电机的作用下，沙利文用食指接触物品时能“感觉”到压力；当记者触动”原型1号”的拇指时，沙利文也能够感受到。去年早些时候库肯发现，除了允许意识控制肌肉，绕行的神经出乎意料地激活了胸部的皮肤。但义肢志愿者并没有对胸部产生感觉，他们觉得那是幻肢上的感觉。为此，库肯一直在致力于完善幻肢的构图，以确定义肢和感觉之间的关联性，并希望实现一对一的匹配，使之挤压义肢拇指时能感受到被挤压的感觉。哈什巴格也提到，一些志愿者已经能使用西北大学为“原型2号”研制的感官编码应答系统来辨别普通纸和砂纸了。
犹他倾斜电极阵列(USEA)
如果是某些原因导致的胸部肌肉缺失或损坏该怎么办？为此，犹他大学的研究人员通过针状穿透电极与神经交叉的方法连接外围神经，研制出一种可植入的名为犹他倾斜电极阵列(USEA)装置——个边长为5毫米的布满100个针状电极的小矩形块，可以控制数百个不同的器件，包括信号放大、存储和多路传输装置等，将信号传输给皮肤上的接收器。
库肯手持自己研制的仿生臂
就像可植入式传感器，这些器件可以进行无线方式供电，并及时传送信号。不过，与IMES不同，USEA发出的信号直接传递给神经，而不是由受神经控制的肌肉所驱动。从理论上说，这将是一个减少信号干扰层的装置，目前正处在实验阶段，预计今年可进入临床。
最后，对于难以接上仿生臂而无法实现神经迁移手术的残疾人来说，作为最终的解决办法，将USEA置于神经中枢的源头——位于脑袋顶部、正对额叶的大脑皮层中（靠近运动皮层的表层中），信号可以直接穿透运动皮层拾取大脑电信号，目前已经用于癫痫病患者的发病预警。当电极直接穿透运动皮层时，嵌入的电路拦截了神经元发出的指令，再借助计算机运算，将相关信号翻译成可以控制义肢装置的语言。
也许需要组合使用这些方法以提供最自然的控制和反馈机制，哈什巴格希望将上述所有的方式挖掘到极限。与期望使用者学习如何控制仿生臂相比，哈什巴格则希望借助电子装置推算出使用者想要做的动作。他说：“我们不希望用户去学习一套新的激活肌肉的方式来控制仿生臂。”到目前为止，沙利文已经能够很自然地把帽子戴在头上。哈什巴格表示，他为沙利文设想的下一个目标是学习打字，他边说边比划着：“就这样，更像我打字的方库肯手持自己研制的仿生臂式。”