8 月 19 日消息，麻省理工学院的一个研究团队正在开发一种控制假肢的新方法，通过在肌肉中植入小磁珠精确测量肌肉收缩的长度，并将这种信号反馈给假肢，来实现对假肢更精准的控制。

经过测试，研究人员发现(xian)利用这种方法(fa)传感器最低可以(yi)感受到肌肉 37 微(wei)米(mi)的(de)收缩，这个长度与(yu)人类(lei)头发丝的(de)直(zhi)径相当(dang)，并且信号延(yan)迟只有 3 毫秒，比传统(tong)上(shang)利用肌电(dian)信号控制假肢的(de)方法(fa)要更(geng)加精确(que)。

这项(xiang)研究(jiu)于 8 月 18 日发表在(zai) Science 子刊 Science Robotics 上(shang)，论文名(ming)称(cheng)为 Magnetomicrometry。

论(lun)文(wen)链接：//robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabg0656

一、让传感器知道肌肉在做什么，控(kong)制假肢能更精准(zhun)

对于穿戴假肢的(de)截(jie)肢者(zhe)来(lai)说，最大的(de)挑战之(zhi)一(yi)就是(shi)像控制(zhi)自(zi)己本来(lai)的(de)肢体(ti)一(yi)样(yang)自(zi)然地(di)控制(zhi)假肢。

目前有(you)(you)两种(zhong)较(jiao)常(chang)见(jian)的(de)(de)可以让截肢(zhi)者自由控(kong)(kong)制假肢(zhi)的(de)(de)方(fang)(fang)式。一种(zhong)方(fang)(fang)式是(shi)将电(dian)极(ji)连接在皮肤(fu)表(biao)面获取肌(ji)电(dian)信(xin)(xin)号，这种(zhong)方(fang)(fang)式对(dui)(dui)假肢(zhi)的(de)(de)控(kong)(kong)制有(you)(you)限，并且(qie)还不(bu)够灵(ling)活。另一种(zhong)方(fang)(fang)式是(shi)将电(dian)极(ji)植(zhi)(zhi)入肌(ji)肉(rou)以获取肌(ji)电(dian)信(xin)(xin)号，尽管这种(zhong)方(fang)(fang)式对(dui)(dui)假肢(zhi)的(de)(de)控(kong)(kong)制相对(dui)(dui)上(shang)一种(zhong)会更加(jia)准确，但是(shi)需(xu)要(yao)进行手术植(zhi)(zhi)入且(qie)价格(ge)昂贵。

然而不(bu)(bu)管是(shi)(shi)以上两种(zhong)方式的(de)(de)哪一种(zhong)，都是(shi)(shi)基于(yu)肌(ji)电信号(hao)来(lai)作出反应，而不(bu)(bu)是(shi)(shi)实(shi)际的(de)(de)肌(ji)肉变化。“当你使用肌(ji)电信号(hao)控(kong)制假肢时，你得到的(de)(de)只是(shi)(shi)大脑告诉肌(ji)肉应该怎(zen)么做的(de)(de)信号(hao)，而不(bu)(bu)是(shi)(shi)肌(ji)肉的(de)(de)实(shi)际动作。”麻省理(li)工学院博士后 Cameron Taylor 说(shuo)。

研究人(ren)员想，如果传(chuan)感(gan)器可以感(gan)知到(dao)肌(ji)肉正在做什么(me)，那么(me)应该能够更(geng)加精准的(de)控(kong)制(zhi)假肢(zhi)。

为了实现这(zhei)个目标，他们决定将成对(dui)的磁铁(tie)植(zhi)入到肌肉中，通过(guo)测量这(zhei)些磁铁(tie)的运(yun)动来计(ji)算肌肉收缩(suo)的程度(du)和速度(du)，以此来控制(zhi)假肢(zhi)的运(yun)动。这(zhei)种方法被他们称(cheng)作 Magnetomicrometry（MM）。

▲ Magnetomicrometry 工作原理示意(yi)图

二(er)、新技术能感知 37 微米的(de)肌肉收缩，延迟(chi)只有 3 毫(hao)秒(miao)

研究人(ren)员将直径(jing)为 3 毫米的(de)小磁珠成对(dui)(dui)的(de)植入(ru)火鸡的(de)腿部肌肉(rou)，每对(dui)(dui)磁珠之间的(de)距离为 3 厘(li)米，他们发现如果离得更近的(de)话，磁珠就(jiu)会相互吸引而改变位置。

磁(ci)(ci)珠植(zhi)入好之后，研(yan)究(jiu)人员用自己的算(suan)法对 MM 进行(xing)了测试(shi)，他们将(jiang)一系列磁(ci)(ci)性传感(gan)器放到(dao)火(huo)鸡腿部(bu)外侧，发现传感(gan)器感(gan)知磁(ci)(ci)珠位置变化(hua)的精度可以达到(dao) 37 微米。并且(qie)，他们移(yi)动火(huo)鸡的踝关节时，可以在 3 毫(hao)秒内得到(dao)测量结果。

“我们(men)希(xi)望 MM 能取代(dai)肌电信(xin)号，成为将神经系统(tong)与仿生(sheng)肢体联(lian)系起(qi)来的主要方(fang)式，因为我们(men)可以(yi)利用 MM 获得更高(gao)质量(liang)的信(xin)号。”论(lun)文作者之一 Hugh Herr 说。

为了让截肢(zhi)者(zhe)控制假肢(zhi)，这些(xie)测(ce)量结果会(hui)被输(shu)入到计算机模(mo)型中(zhong)。该模(mo)型根据截肢(zhi)者(zhe)剩余肌(ji)肉的(de)收缩(suo)情况来预测(ce)其(qi)希望进行的(de)动作。这种(zhong)策略(lve)引(yin)导(dao)假肢(zhi)按照截肢(zhi)者(zhe)希望的(de)方式来移动，与他们想(xiang)象中(zhong)的(de)肢(zhi)体位置相(xiang)匹配。

Hugh Herr 说：“通过 MM，我们(men)可(ke)(ke)以直接测量肌肉收缩的(de)(de)(de)长度和(he)收缩速(su)度。然后通过我们(men)对肢体的(de)(de)(de)数(shu)学建(jian)模，可(ke)(ke)以计算出要(yao)控(kong)制的(de)(de)(de)假肢的(de)(de)(de)目标位置和(he)需要(yao)移动的(de)(de)(de)速(su)度，只需要(yao)一个简单的(de)(de)(de)机器人控(kong)制器就可(ke)(ke)以控(kong)制这些关节。”

▲ 通过测量肌肉收缩(suo)控(kong)制假肢动作

三、小磁珠一(yi)次植入终(zhong)生有效(xiao)，还(hai)能帮(bang)中(zhong)风患者恢复行动

研(yan)(yan)究(jiu)人员称接下来的研(yan)(yan)究(jiu)将围绕膝盖以下截(jie)肢(zhi)的患者开(kai)展，另外他们还(hai)设想将用于控(kong)制假肢(zhi)的传感器(qi)固定在衣服、皮肤(fu)表(biao)面或假肢(zhi)的外部。

研(yan)究者还提到 MM 最大的优点是(shi)微创，只需要一(yi)个很(hen)小的伤(shang)口(kou)就(jiu)可以(yi)将小磁珠植(zhi)入到肌肉里，并且这(zhei)些(xie)珠子可以(yi)终生(sheng)保持原位而无需更换(huan)。因此(ci)，这(zhei)一(yi)方法的成本较(jiao)低，并且相关(guan)监管机构也不(bu)会有太多(duo)监管障碍。

除(chu)了(le)控制(zhi)(zhi)假肢之外，研究者说MM还有其(qi)他的(de)用(yong)(yong)途(tu)，比如它(ta)可(ke)以(yi)通过“功能性(xing)电刺激技（functionalelectricalstimulation）”来改善患(huan)(huan)者对肌(ji)肉(rou)的(de)控制(zhi)(zhi)，这种技术现在可(ke)以(yi)用(yong)(yong)于帮助脊髓损(sun)伤的(de)患(huan)(huan)者恢(hui)复活动能力。MM 的(de)另一个可(ke)能的(de)用(yong)(yong)途(tu)是引导机械(xie)外骨骼，将它(ta)连接到脚(jiao)踝或其(qi)他关(guan)节(jie)，可(ke)以(yi)帮助中(zhong)风或其(qi)他类型肌(ji)无力的(de)患(huan)(huan)者更好的(de)行(xing)动。

结(jie)语(yu)：仿生假肢技术层出不穷，何时能够(gou)商用(yong)？

目前仿生假(jia)肢技术层出不穷(qiong)，比如前不久麻省理(li)工学(xue)院同上(shang)海(hai)交通大学(xue)共同开(kai)发的(de)靠(kao)空气(qi)驱动的(de)软体机(ji)械手，既能让(rang)穿(chuan)戴者精确控(kong)制假(jia)肢，还能拥有触觉。再比如今年四月(yue)份美国(guo)北(bei)卡(ka)罗(luo)莱(lai)纳州立大学(xue)的(de)一项研究，让(rang)截肢者可以通过大脑信号控(kong)制假(jia)肢。

不(bu)过这些技术目前都是存在于实(shi)验室中，离落地(di)商用还有不(bu)小的距离。