最近來自日本的研究團隊開發了一款專門的手部外骨骼機器人，通過被動訓練的方式，幫助專業鋼琴家突破了技能天花板。這項研究剛剛登上了機器人領域頂刊Science Robotics最新一期的封面。

研究團隊制作了一個精密的手部外骨骼系統。這個系統可以精確控制手指的彎曲和伸展，讓鋼琴家體驗到比他們主動演奏更快速、更復雜的手指動作。系統的關鍵在于采用了“遠程運動中心”機制，可以在高速重復運動時保持精確性，同時將手指表面的機械應力降到最低。

研究者們設計了一系列巧妙的實驗來驗證這個想法。他們招募了118位專業鋼琴家參與研究，這些鋼琴家都是音樂學院的專業演奏者，從8歲前就開始學琴，到20歲時的練琴時間都超過了一萬小時。

在第一個關鍵實驗中,30位鋼琴家被要求練習一個技術性很強的任務: 右手食指和無名指同時按下間隔的琴鍵（D鍵和F鍵），然后右手中指和小指同時按下相鄰的琴鍵（E鍵和G鍵）反復交替演奏。這種和弦琶音式的演奏在多個著名鋼琴曲目中都有出現,比如肖邦的練習曲作品25第6首、拉威爾的《水妖》和貝多芬第三鋼琴奏鳴曲第一樂章。

▍出人意料的被動訓練效果

當技能達到瓶頸后,研究團隊將鋼琴家們分成了兩組,讓他們體驗截然不同的被動訓練。一組體驗的是復雜的手指動作模式 - 食指和無名指同時彎曲時,中指和小指同時伸展,然后反向運動,與鋼琴任務類似。另一組則體驗簡單的手指動作 - 四個手指同時彎曲和伸展,類似抓握動作。

關鍵的是，外骨骼機器人帶動手指運動的速度達到了每秒4次(4Hz),這比鋼琴家們此前能達到的最快速度(平均每秒2.3次)要快得多。

這真的是手指起飛的節奏！

研究人員通過肌電圖實時監測,確保整個過程中鋼琴家的肌肉都處于放松狀態,完全是被動體驗。

30分鐘的被動訓練后,結果令人振奮 - 體驗了復雜動作模式的鋼琴家們在演奏測試中,按鍵間隔時間從訓練前的434.6毫秒縮短到了407.4毫秒,演奏速度明顯提升。而體驗簡單動作模式的組則沒有改善。更令人驚喜的是,這種提升在訓練后30分鐘依然保持,甚至第二天依然存在！

研究團隊進一步擴大了實驗規模,讓60位鋼琴家嘗試了5種不同的訓練方案：

• 快速復雜的被動訓練(4Hz)

• 快速簡單的被動訓練(4Hz)

• 慢速復雜的被動訓練(1Hz)

• 主動練習組(每秒2次按鍵)

• 休息對照組

結果再次證實,只有體驗了"快速復雜"動作模式的組別才出現了顯著進步。更有趣的是,他們用未經訓練的左手演奏同樣的曲目時,也表現出了類似的提升 - 這說明訓練效果可以跨手轉移。

為了排除其他可能的解釋,研究人員還測試了鋼琴家們的一般運動能力(如手指力量、靈活度)和解剖特征(如關節活動范圍),這些都沒有因訓練而改變。這表明被動訓練帶來的進步是針對特定鋼琴技能的,而不是因為手部整體功能的提升。

這些發現挑戰了我們對技能學習的傳統認知。通常認為,要提高某項技能,就必須反復主動練習。但這項研究表明,即便是被動體驗,只要是之前從未經歷過的更快速、更復雜的動作模式,也能幫助突破技能瓶頸。那么,這種奇妙的效果背后的神經機制是什么呢？

▍揭秘大腦的神經可塑性機制

為了探究被動訓練帶來技能提升的神經機制，研究團隊在第三個實驗中使用了經顱磁刺激(TMS)技術。他們在28位鋼琴家接受被動訓練前后，對其大腦運動皮層進行刺激，觀察誘發的手指運動模式變化。

研究人員在大腦左右半球的初級運動皮層區域各選取了25個刺激點，形成一個5×5的網格。每個點都被刺激10次，同時用特制的數據手套記錄下誘發的手指關節運動。通過張量分解的數學方法，他們從這些復雜的運動數據中提取出了5種基本的運動模式。

這些運動模式大致可以分為兩類：

1.同步運動模式：類似抓握動作，多個手指同時彎曲或伸展

2.獨立運動模式：不同手指的獨立運動，比如食指和中指的反向運動

有趣的是，接受了復雜動作訓練的鋼琴家，在訓練后其獨立運動模式的比重明顯增加。而接受簡單動作訓練的組，則主要表現為同步運動模式的減少。這種變化僅出現在接受訓練的右手，而未訓練的左手則沒有這種改變。

這一發現揭示了一個重要的神經可塑性機制：被動體驗新的復雜動作模式，可以重塑大腦皮層中編碼的手指運動模式，增強手指獨立控制的成分。研究人員認為，這可能是通過感覺運動區域之間的功能連接實現的 - 先前的研究已經證實，刺激體感神經元能夠激活運動皮層的神經元。

另一個有趣的發現來自肌電圖分析。研究者發現，復雜動作訓練后，鋼琴家們的肌肉協調模式也發生了變化：肌肉活動的時間提前，幅度減小，顯示出更有效的神經肌肉控制。這種改變可能反映了感覺運動規劃的更新 - 被動體驗幫助大腦建立了新的"感覺目標"，指導更快速的運動表現。

特別值得注意的是，未經訓練的左手雖然也表現出了性能提升，但其運動皮層中的運動模式并未改變。這提示除了已發現的機制外，可能還有其他腦區（如輔助運動區）參與了這種跨手轉移效應。

這項研究不僅在實踐層面提供了突破技能瓶頸的新方法，也為我們理解神經系統的可塑性提供了新的視角。它表明，即使是高度熟練的動作技能，也可以通過體驗前所未有的感覺經驗得到提升。這一發現可能對音樂教育、運動訓練，甚至神經康復都具有重要的啟發意義。

未來，這種外骨骼輔助訓練系統可能在多個領域發揮作用：它不僅可以幫助音樂家提升技藝，也可能用于康復訓練，甚至實現從教師到學生的觸覺技能傳遞。

當然，這項研究也提出了新的問題：為什么傳統的主動練習無法達到類似的效果？這種被動訓練的最佳頻率和持續時間是多少？這些都需要未來的研究繼續探索。

屏幕前的你，想擁有這種外骨骼“外掛”嗎？想拿來做什么呢？

本文由CAAI 認知系統與信息處理專委會供稿