假如存在某種物理“外掛”能夠讓你體驗全新的運動技能，那么突破“天花板效應(yīng)”將變得更加可行。為了幫助鋼琴家克服技能的瓶頸，日本索尼計算機科學(xué)實驗室聯(lián)合日本京都神經(jīng)鋼琴研究所研發(fā)了一種專門的手部外骨骼機器人,相關(guān)文章被發(fā)表在《Science Robotics》雜志，題為“Surmounting the ceiling effect of motor expertise by novel sensory experience with a hand exoskeleton”。這種外骨骼機器人通過幫助鋼琴專家體驗運動模式，成功地幫助他們突破了鋼琴演奏技能的瓶頸。該研究成果最終登上了《Science Robotics》雜志的封面。

圖2. 文章信息

（1）行為研究首階段：外骨骼“外掛”下鋼琴演奏技能突破

研究團隊設(shè)計了一系列精巧的實驗，以驗證外骨骼“外掛”（見圖3 A）在提升鋼琴演奏技能方面的效果。研究招募了118位專業(yè)鋼琴家，這些鋼琴家均為音樂學(xué)院的演奏者，早在8歲前便開始學(xué)習(xí)鋼琴，到20歲時已累計練習(xí)超過一萬小時。在關(guān)鍵實驗中，30位鋼琴家被要求練習(xí)一項具有高度技術(shù)挑戰(zhàn)的任務(wù)：用右手食指和無名指同時按下間隔的琴鍵（D鍵和F鍵），然后用右手中指和小指同時按下相鄰的琴鍵（E鍵和G鍵），并反復(fù)交替演奏（見圖3 B）。這種和弦琶音式的演奏方式常出現(xiàn)在一些鋼琴曲目中，如肖邦的練習(xí)曲作品25第6首、拉威爾的《水妖》和貝多芬的第三鋼琴奏鳴曲樂章。確認(rèn)技能達到瓶頸后，研究團隊將鋼琴家們分為兩組，分別進行截然不同的被動訓(xùn)練。

一組體驗了復(fù)雜的手指動作模式——食指和無名指彎曲時，中指和小指同時伸展，然后反向運動，類似鋼琴任務(wù)的動作模式。另一組則進行較為簡單的手指運動——四個手指同時彎曲和伸展，模仿抓握動作（見圖4）。

外骨骼機器人在訓(xùn)練中使手指的運動速度達到了每秒4次，遠遠超出了鋼琴家們原本能夠達到的速度（平均每秒2到3次）。為了確保整個過程中鋼琴家的肌肉保持放松，研究人員使用EMG圖實時監(jiān)測肌肉狀態(tài)，確保鋼琴家處于被動體驗狀態(tài)。

圖4 第二列展示了外骨骼“外掛”下被動訓(xùn)練前后對比的結(jié)果。 在實驗室中，在接受復(fù)雜或簡單運動模式的被動體感訓(xùn)練之前、之后立即以及之后 30 分鐘（預(yù)測試、后測試 1、后測試 2）評估按鍵任務(wù)的表現(xiàn)。* 和 + 分別表示在不同時段和不同組之間存在統(tǒng)計學(xué)顯著差異。 * 和 +：P<0.05，** 和 ++：P<0.01。經(jīng)歷復(fù)雜動作模式訓(xùn)練的鋼琴家在演奏測試中表現(xiàn)出顯著的進步，他們的按鍵間隔時間從訓(xùn)練前的434.6毫秒縮短至407.4毫秒，演奏速度顯著提高。而進行簡單動作模式訓(xùn)練的組則未見明顯改善。更令人欣喜的是，這種提升在訓(xùn)練后30分鐘仍然得以保持，甚至第二天依舊顯現(xiàn)效果！

總之，研究人員采用了一款手部外骨骼機器人，該機器人能夠獨立并迅速地操控手指，使鋼琴家體驗到比自主演奏更高速度和復(fù)雜度的手指運動。這種訓(xùn)練方式有效打破了鋼琴家在手指動作上的技能瓶頸，并顯著提升了演奏速度。此外，研究還揭示，經(jīng)過訓(xùn)練的手指表現(xiàn)得到改善的同時，未經(jīng)過訓(xùn)練的手指也因為“跨手訓(xùn)練效應(yīng)”而有所提升。通過對神經(jīng)生理數(shù)據(jù)的分析，研究表明，這種訓(xùn)練方式能夠促使神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生可塑性變化，從而優(yōu)化復(fù)雜的運動技能。

這項研究不僅在實踐上為突破技能瓶頸提供了新思路，也為我們理解神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性提供了全新的視角。它揭示了，即使是高度熟練的技能，也可以通過接觸全新的感覺體驗得到提升。這一發(fā)現(xiàn)對于音樂教育、運動訓(xùn)練乃至神經(jīng)康復(fù)等領(lǐng)域，具有深遠的啟發(fā)意義。

這種外骨骼輔助訓(xùn)練系統(tǒng)有望在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：它不僅能幫助音樂家提高演奏水平，還可能用于康復(fù)訓(xùn)練，甚至促進教師與學(xué)生之間的觸覺技能傳遞。然而，這項研究也提出了一些新的問題：為何傳統(tǒng)的主動練習(xí)無法產(chǎn)生類似的效果？這種被動訓(xùn)練的頻率和時長應(yīng)如何確定？這些問題亟需未來的研究進一步探討。最后，當(dāng)我們遇到技能瓶頸時，或許可以思考是否有類似的方式來體驗全新的技能，這可能會成為突破自身局限的關(guān)鍵。

Furuya S, Oku T, Nishioka H, et al. Surmounting the ceiling effect of motor expertise by novel sensory experience with a hand exoskeleton[J]. Science Robotics, 2025, 10(98): eadn3802.

該項工作的一作和通訊是平野正人（Shiinichi Furuya），研究受到日本學(xué)術(shù)振興會：轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域金B(yǎng)（20H05713），日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)：CREST (JPMJCR17A3)，登月研究與發(fā)展計劃：JPMJMS2012的資助。