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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

372期2023年04月號

出版日期:2023/04/15

正方形 Icon 觀念探索 Trend

打破窠臼的義肢

撰文/湯普森(Joanna Thompson) 翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。

柯蘿德(Dani Clode)常常早上起床,一隻手套上機器拇指,就這樣去上班。她仔細研究大量的神經科學數據,畫出新款義肢的構想,思考著如何才能幫人體加分。柯蘿德的工作地點是協助研究輔具神經科學的劍橋大學可塑性實驗室(Plasticity Lab)。

但擔任專業人員的她也打造義肢,而且功能與造型往往顛覆傳統,有一款是透明的壓克力前臂義肢,內有節拍器,會跟穿戴者的心跳同步打節奏,另一款則是可以隨意排列組合的手臂,材質包括樹脂、拋光木、苔蘚、青銅、黃金、銠與軟木。

柯蘿德目前正在設計的是任何人戴了都能強化抓握力的「第三隻拇指」。這個裝置也是她工作的得力助手,動作靈活,以馬達驅動,由穿戴者鞋子裡的壓力感測器所控制。志願者經過學習後,已經會打開瓶子、喝茶,甚至彈吉他。她期許有那麼一天,無論是工廠工人還是外科醫生,各類職人都能受惠於第三隻拇指與類似裝置,工作更有效率,又能減輕身體壓力。

傳統上,義肢設計師習慣從人體尋找靈感。義肢過去被視為某個身體部位的替代品,超逼真的仿生腳與仿生手是眾人夢寐以求的目標。拜星際大戰這類科幻作品之賜,仿生裝置仍舊深植於大眾的集體想像。幸或不幸,它們也形塑了多數人對未來義肢的觀點。

但柯蘿德是另類義肢運動的一環,這股輔具科技趨勢訴求打破傳統、不求融入。她和同行設計師不希望裝置模仿「正常」手腳的外觀,而紛紛打造天馬行空的義肢,有的像蠕動的觸角、有的會發亮、有的甚至能發射亮片。其他非傳統設計則是針對特定工作,例如受到跑者青睞的刀鋒義肢。設計師認為,另類義肢可以讓使用者拿回自我形象的控制權,力量油然而生,同時粉碎社會對身障與四肢殘缺的汙名化。

即使另類義肢的能見度增加,還是抹煞不了一個不堪的事實:擁有義肢的人仍然只占一小部分。這個世界有很多人想要義肢卻買不起,因此倡導人士紛紛在尋求能夠兼顧成本、造型與實用性的方案。

義肢的發展歷史悠久,而且始終出於人性。已知最早的義肢是兩隻木雕腳趾,來自於2,500到3,000年前的古埃及,明顯看得出繫繩涼鞋的印記,其中一隻還綁在一具木乃伊的右腳。

古人製作與穿戴義肢的原因眾多,有的重實際、有的基於宗教、有的是歧視下的產物。多數義肢的設計以結合人體為主,但有些設計故意要脫穎而出。古羅馬將軍西魯斯(Marcus Sergius Silus)在第二次布匿戰爭(Second Punic War)斷了一隻手,據傳下令製造一隻鐵手當義肢。此外,中世紀的義大利至少有一人以刀子取代手。

對衛斯理大學(Wesleyan University)性別研究教授泰勒(Victoria Pitts-Taylor)而言,並不難理解對量身訂做的義肢的渴望。從文化、醫療、科學角度研究身體改造的她說:「無論我們怎麼改造身體,都跟在社會的身分脫離不了關係。」以刺青為例,退伍軍人希望藉此致敬軍旅生活,藝術家則可能想嘗試不同顏色與圖案。

泰勒認為,人存在於社會,都會以某種形式改造身體,例如剪特定髮型或穿特定服飾。「能夠找到方法改造身體,反映出我們的個人風格與自我,感覺真的很好。」她說。

1960年代,美國興起民權運動與酷兒解放運動之際,身心障礙者權利運動亦開始起飛,過去幾十年持續推動社會對義肢的接受度。早期的維權分子走上街頭時,只戴著金屬滑鉤這種最基本的裝置,甚至什麼都不戴,後來的人則是把閃亮亮的迪斯可鏡球黏在義肢。「背後的概念是,不要為了符合傳統標準而改變自己的身體。」加州大學聖地牙哥分校的身障與設計歷史學家塞林(David Serlin)說。

然而,現代醫學體系並不會考量自我表達或自我認同。醫療裝置大廠現在研發輔具科技產品時,經常還是以「治療」為出發點,亦即所謂的生物醫療化(Biomedicalization)。

「生物醫療化的目標是把身體正常化。」泰勒說。其目的在於盡可能將人體達到「理想狀態」,但在歐美醫學中,這個理想狀態通常是白人的、性別化,以及身體健全的。

在這樣的側重點下,義肢長期以來效果不佳或穿戴不舒服,無法符合個人需求,更無助於自我認同。比方說,義肢手通常只分成男性、女性與小孩3種尺寸範圍,但很多人的尺寸介於三者之間,甚至完全不適用。

礙於選擇有限,義肢與殘肢可能出現不吻合的彆扭情況。對有色人種來說,挑選義肢可能更是難堪,因為有些義肢廠商提供診所與醫院的膚色選項只有少數幾款。

柯蘿德說,義肢使用者也不應該被等同視之。每個人的觸覺敏感度不同,取決於殘肢的神經集中程度,以及身障者是否有幻肢(Phantom Limb)現象。這些因素會大大影響身障者忍受義肢的意願與能力,因為義肢必須緊貼著殘肢的敏感區。

此外,如果是天生四肢殘缺,可能會與截肢者的使用體驗截然不同。長大後才失去手腳的人,穿戴輔具可能會更放心,反觀許多天生沒有手臂的人,用殘肢就能輕鬆搞定生活大小事,戴著笨重的義肢甚至反而礙事。

阿馬爾(Jules Amar)是功能型義肢的設計先驅,其服務對象是在第一次世界大戰中斷手斷腳的士兵。他的設計有別於傳統,專為特定功能而生,例如他設計出鉗子型義肢,以期協助飽受戰爭摧殘的士兵重返社會,從事生產。根據大多數記載,他的策略奏效,許多退伍軍人得以找到農場與工廠的工作,只是當時也有部分人士認為這樣有剝削身障勞工之虞。

時至今日,義肢可以搭配肌電裝置等高科技,變成電動義肢,將殘肢肌肉的電訊號轉化成動作。然而,很多人放棄有如機器人的精密義肢,選擇類似阿馬爾設計的功能型義肢,例如運動員的刀鋒腳板,或是自體驅動、可以更換末端的「活動導向手臂」。「我就有一個,主要是用來健身。」加州大學柏克萊分校的科技作家與博士後選人楊恩(Britt H. Young)說:「從很多方面來看,使用這類義肢的滿意度更高。」

回顧醫療器材的發展史,有很長一段時間的假設是:符合大腦預期的義肢自然更容易使用,亦即專家所謂的「身體化」(Embody)。「身體化是指義肢接近我們的人體樣版。」劍橋大學認知神經科學教授馬金(Tamar Makin)說。她與柯蘿德密切合作,研究大腦如何適應義肢。研究證實義肢使用者長期以來的直覺,亦即大腦其實非常有彈性,能夠適應新義肢。

義肢似乎介於「物品」和「自我」之間。根據2020年發表於《PLOS生物學》(PLOS Biology)期刊的一篇論文,馬金的實驗室以功能性磁振造影機(fMRI)掃描義肢使用者與非使用者的大腦,想要知道大腦的特定區域對義肢有何反應。研究人員以義肢、真手、日常工具做測試,起初以為受測者會有類似的反應模式,但實際情況並非如此。

「義肢造成的反應不同於人手。」馬金說:「但也跟工具不一樣。」義肢似乎會觸發一種特別的神經標誌(Neural Signature),不是手也不是工具,而是以前未知的反應。這些反應模式出現在不同使用者,顯示多數人能夠輕易適應各種不同的義肢設計,只要在日常生活依舊實用就可以。

看起來不像人腳的下肢義肢,慢慢受到社會的認同,尤其是在運動領域,穆林斯(Aimee Mullins)與里博(Blake Leeper)等運動員擁有高知名度,有助於刀鋒義肢成為鎂光燈的焦點。
反觀失去上肢的人還是面臨社會壓力,不管合不合身,還是覺得有必要戴上高科技、有5根手指的仿生義肢。

巴恩斯(Jason Barnes)希望有個與眾不同的上肢義肢。住在美國亞特蘭大市的他,是一名音樂製作人與樂手,從小熱愛打鼓,無奈在2012年發生工作意外,22,000瓦的電流貫穿右臂,手肘以下只好截肢。

出院後幾個星期,他在繃帶末端用膠帶綁了一支鼓棒,重新學習打鼓。沒多久,他開始從零到有打造內建鼓棒的義肢。「我壓根沒有頭緒怎麼做,所以摸索了很久。」他說。他最終找到適合的設計,也就是在鼓棒義肢裝上平衡器,讓他可以用肩膀和手肘控制,跟阿馬爾的功能型義肢有異曲同工之妙。不久之後,他考進亞特蘭大音樂與媒體學院(Atlanta Institute of Music and Media)的打擊樂課程。

不過,巴恩斯偶爾還是覺得力不從心。為了演奏不同曲風(例如從複雜的爵士樂轉換到搖擺樂節奏),他必須停下來把義肢綁緊或鬆開。他想要追求更無縫接軌的體驗。

他後來認識喬治亞理工學院(Georgia Tech)的音樂科技教授溫伯格(Gil Weinberg),後者帶著團隊與巴恩斯合作,研發出新型的肌電型打鼓義肢,能夠讀取他的肌肉運動,執行更精細的打鼓動作。

他們接著更進一步,在義肢加上第二支鼓棒,搭配機器學習軟體,可以察覺樂團中其他樂手的節奏。「構想是讓第二支鼓棒有時隨興打擊,不由巴恩斯控制。」溫伯格說,這樣可以在樂手之間營造出「奇特又親密的連結」。

拜這款新手臂之賜,巴恩斯化身打鼓超級英雄,超越人體極限,打出地表無人能及的節奏。他在2019年甚至寫下金氏世界紀錄,成為全世界打鼓速度最快的人。但過了不久,他發現只用一支鼓棒還是比較簡單。

「從技術面來看,一隻手能有兩支鼓棒是很好。」巴恩斯說:「但從鼓手的角度來看,意義其實不大。」巴恩斯尚未完全放棄高科技打鼓輔具,他和溫伯格目前正在設計一款新型肌電手臂,一方面有雙鼓棒義肢的精細度,一方面又有自體驅動義肢的創意自主性。他使用哪個義肢,會看當天狀況與打擊曲目。

並非每款非典型義肢都是完全功能導向,有時則是走時尚路線。出生於拉脫維亞的創作歌手莫德絲塔(Viktoria Modesta),長期醉心於科幻故事與復古未來主義美學。剛開始配戴義肢時,她便決定一舉拋開傳統窠臼。「我覺得這樣可以拿回掌控權,改變輿論風向。」她說。

莫德斯塔的左腳在出生時受傷,動了好幾年的手術,也頻頻出現併發症。她在20歲那年選擇截肢,心情幾乎隨即如釋重負。
還沒有動手術之前,她便已經開始想像義肢的模樣。手術後,她與威克森(Tom Wickerson)和芭拉塔(Sophie de Oliveira Barata)合作,兩人是設計倡議活動「另類四肢計畫」(Alternative Limb Project)的成員(柯蘿德亦是其中一分子)。三人實現了她的願景,以安德森童話《冰雪女王》為發想,打造出一款鑲有寶石的下肢義肢。「我的腳從無期徒刑變成了愛與渴望的產物。」她回憶道。

從那時起,身兼音樂家、模特兒與自稱仿生流行歌手等身分的莫德絲塔,讓大家看到許多未來主義風的義肢。她出現在勞斯萊斯的廣告,義肢脛骨部分竄動著電流,她曾穿著鍍鉻的義肢走伸展台,也曾穿上有如金屬觸手的義肢,以微重力漂浮。她在2014年拍攝的音樂錄影帶《原型機》爆紅,裡頭戴的是她最經典的錐形腳。她說,這款黑曜岩製成、宛如銳劍的設計,來自於她的夢境。

掌握了義肢造型,讓莫德絲塔得以全然接納她的身體,也認為每個人都應該有這樣自我表達的權利。「人不應該只嘗試不同穿搭而已,也要能在四肢、能力和所有事物上做實驗。」她說。但她知道,儘管義肢的普及度緩慢改善,但對全球許多人來說,量身訂做的義肢仍舊遙不可及。

義肢屬於高單價產品,即使有好保險,義肢腳的價格少至5千美元,高至8萬美元以上,依設計複雜程度而定。此外,義肢零件磨損後必須汰換,又得多花費幾千美元,有些產品光是膝關節就要3萬美元。「有些保險會理賠一部分,」楊恩說,但多數保險業者「不會給付很多」。

這還不包括個人化造型。比方說,義肢製造商奧托博克(Ottobock)提供不同膚色的義肢給診所,但旗下網路商店的選擇更多,而且以裝潢色卡的方式呈現,更加賞心悅目。但位於密西根的義肢認證技術人員哈利爾(Nicholas Harrier)說,網路商店才有的膚色必須訂製,通常保險不給付。

哈利爾小時候罹癌,後續感染導致他在20幾歲時失去一隻腳,他希望能夠打開一扇門,讓造型美觀的客製化義肢更加普及。他的靈感起源於10年前左右,他當時偶然看到「另類四肢計畫」為莫德絲塔設計的幾款義肢,出於好奇而聯絡該計畫,卻始終沒有收到回音。他決定動手自製義肢護套,第一個樣本就是自己的義肢腳。

最後的成品彷彿出自科幻小說,有未來主義風格的線路,中間還有五顏六色的原形LED燈。一完成最後裝飾,他便立刻開始幫別人製作客製化護套,到現在已經累積幾十款作品,材質包括壓克力與矽膠、金屬與樹脂、油漆、燈光等。

每款護套都獨一無二,針對個人所設計。有一款釘滿蒸汽龐克風(Steampunk)的發條裝置,有一款仿效DC漫畫的鋼骨人(Cyborg)。護套只讓義肢更有造型,無法改變功能。哈利爾的原則,是所有護套皆可免費訂製。他自掏腰包購買材料,也因為老闆願意讓他彈性工作,他才有辦法進行。

「我不會收錢。」哈利爾說。他期許,未來像他這樣的服務能夠成為義肢診所的標準做法,「有必要把這個推動成為常態,因此免費提供很重要。」

幾家規模較大的公司也致力於提升造型護套的普及度。包括英國「開放仿生」(Open Bionics)在內的企業,正在研發價格親民的3D列印護套,例如圖案從漫威電影取材的「英雄手臂」。許多護套的行銷瞄準兒童,希望藉此建立起兒童的自尊。

根據世界衛生組織(WHO)數據,全球缺肢人口只有1成左右有取得義肢的管道。此外,各族群的需求也不盡相同。以美國為例,黑人的截肢率將近是白人的4倍。

楊恩認為,只要有民眾想要有任何類型的義肢,購買與維護都應該不必花大錢。「要對義肢發揮最大的影響力,不在創新設計,而是醫療裝置改革。」她說,但同時也不應該劃地自限,要持續設法改善義肢的設計。「大家必須對自己的身體感到自在,這是一種人權。」她說。

改革義肢產業牽涉眾多面向,包括提升普及度、研發符合個人需求的輔具、維護基本尊嚴等。「重點不只是功能或美觀。」塞林說:「理想狀態是兩者兼顧。」

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