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(ren)员发现(xian)利用这种方法(fa)传(chuan)感(gan)器最低可以感(gan)受到(dao)肌肉(rou) 37 微米的收缩，这个长度与(yu)人(ren)类头(tou)发丝的直径相当，并(bing)且信(xin)号延迟只有 3 毫秒，比传(chuan)统上(shang)利用肌电(dian)信(xin)号控制(zhi)假肢的方法(fa)要更(geng)加(jia)精确。

这项研究于 8 月 18 日发表在 Science 子刊 Science Robotics 上，论文名称为 Magnetomicrometry。

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

一(yi)、让传感器(qi)知(zhi)道肌肉在做什(shen)么(me)，控制假(jia)肢能更(geng)精准

对(dui)于穿(chuan)戴假肢(zhi)(zhi)的截肢(zhi)(zhi)者来(lai)说，最大的挑(tiao)战之一(yi)就(jiu)是像控制自(zi)己本来(lai)的肢(zhi)(zhi)体一(yi)样(yang)自(zi)然地控制假肢(zhi)(zhi)。

目前有两种(zhong)(zhong)较(jiao)常见(jian)的(de)可以让截肢(zhi)者自(zi)由(you)控制(zhi)假肢(zhi)的(de)方式(shi)。一(yi)种(zhong)(zhong)方式(shi)是将电(dian)极连(lian)接在皮肤表面获(huo)取肌(ji)电(dian)信号，这种(zhong)(zhong)方式(shi)对假肢(zhi)的(de)控制(zhi)有限，并且(qie)还不(bu)够(gou)灵活。另一(yi)种(zhong)(zhong)方式(shi)是将电(dian)极植(zhi)入(ru)肌(ji)肉以获(huo)取肌(ji)电(dian)信号，尽管这种(zhong)(zhong)方式(shi)对假肢(zhi)的(de)控制(zhi)相对上一(yi)种(zhong)(zhong)会(hui)更加准确，但是需要进行(xing)手术植(zhi)入(ru)且(qie)价(jia)格(ge)昂贵。

然(ran)而(er)不管(guan)是以上两(liang)种(zhong)方(fang)式的(de)哪一种(zhong)，都(dou)是基于肌电(dian)信号(hao)来作(zuo)出(chu)反应，而(er)不是实(shi)际(ji)的(de)肌肉(rou)变化。“当(dang)你使用(yong)肌电(dian)信号(hao)控(kong)制假(jia)肢时，你得到的(de)只(zhi)是大脑告诉肌肉(rou)应该怎(zen)么做(zuo)的(de)信号(hao)，而(er)不是肌肉(rou)的(de)实(shi)际(ji)动作(zuo)。”麻省理工(gong)学(xue)院博士后 Cameron Taylor 说。

研究人员想，如果传感器可以感知到肌肉正在做什么(me)(me)，那么(me)(me)应该能够更(geng)加精准的控制假肢。

为了实(shi)现(xian)这(zhei)个(ge)目标，他(ta)们决定将成对的(de)磁(ci)铁植入(ru)到肌肉(rou)中，通过测(ce)量这(zhei)些磁(ci)铁的(de)运动来(lai)计算(suan)肌肉(rou)收(shou)缩的(de)程度和速度，以此(ci)来(lai)控制假肢的(de)运动。这(zhei)种(zhong)方(fang)法被(bei)他(ta)们称作(zuo) Magnetomicrometry（MM）。

▲ Magnetomicrometry 工作原理示意图

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

研(yan)究人(ren)员将直(zhi)径(jing)为(wei) 3 毫米的小(xiao)磁珠成对(dui)的植入(ru)火鸡的腿部肌肉，每(mei)对(dui)磁珠之间的距离为(wei) 3 厘米，他(ta)们发现(xian)如果离得更近的话(hua)，磁珠就会相(xiang)互(hu)吸(xi)引而改变位置。

磁珠植入好之后，研(yan)究人员用(yong)自己(ji)的算(suan)法对 MM 进行了(le)测试，他(ta)们(men)将一系(xi)列磁性(xing)传感(gan)器放到火鸡腿(tui)部外(wai)侧(ce)，发现传感(gan)器感(gan)知磁珠位置变(bian)化的精度可以(yi)达到 37 微米。并且，他(ta)们(men)移动(dong)火鸡的踝(huai)关(guan)节(jie)时(shi)，可以(yi)在 3 毫(hao)秒内得到测量结果(guo)。

“我们(men)希(xi)望 MM 能取代肌电信(xin)号(hao)，成(cheng)为(wei)将神经系统与仿生(sheng)肢(zhi)体联系起来的主要方式，因为(wei)我们(men)可以利(li)用 MM 获得更高质(zhi)量(liang)的信(xin)号(hao)。”论文作(zuo)者之一 Hugh Herr 说。

为了让(rang)截(jie)肢者控制假肢，这些测(ce)量结果会(hui)被(bei)输入到计(ji)算机(ji)模型中(zhong)。该模型根据截(jie)肢者剩余肌肉的(de)收缩情况来预测(ce)其希望进行的(de)动作。这种策(ce)略引(yin)导假肢按照截(jie)肢者希望的(de)方(fang)式来移(yi)动，与(yu)他们(men)想象中(zhong)的(de)肢体位置相匹配。

Hugh Herr 说(shuo)：“通过 MM，我(wo)们可以直接测量肌(ji)肉收缩(suo)的(de)(de)长度和收缩(suo)速度。然后通过我(wo)们对肢(zhi)体的(de)(de)数学建(jian)模，可以计算出要(yao)控制的(de)(de)假肢(zhi)的(de)(de)目标位(wei)置和需要(yao)移动(dong)的(de)(de)速度，只需要(yao)一个(ge)简(jian)单的(de)(de)机器人控制器就可以控制这些关节。”

▲ 通过测(ce)量肌肉收(shou)缩(suo)控制(zhi)假肢动作

三(san)、小磁珠一次(ci)植入终生有效，还能帮中(zhong)风患者恢复(fu)行动

研(yan)究(jiu)人员称接下来(lai)的研(yan)究(jiu)将围绕膝盖以下(xia)截(jie)肢的(de)患者开展(zhan)，另外他们还设想将(jiang)用于控制假(jia)肢的(de)传(chuan)感器固定(ding)在衣服、皮(pi)肤表面或假(jia)肢的(de)外部。

研究者还提(ti)到 MM 最大的优(you)点(dian)是微创(chuang)，只需要一个很小的伤口就可以(yi)将小磁珠(zhu)植入(ru)到肌肉里，并且这些珠(zhu)子(zi)可以(yi)终生保(bao)持(chi)原位而无需更换。因此(ci)，这一方(fang)法(fa)的成本较低，并且相关监管机构也不会(hui)有太(tai)多监管障(zhang)碍(ai)。

除了控制假(jia)肢(zhi)之(zhi)外，研(yan)究者(zhe)说MM还(hai)有其他的(de)用(yong)(yong)途(tu)，比(bi)如(ru)它(ta)可以(yi)通(tong)过(guo)“功能(neng)性电刺(ci)激技(ji)（functionalelectricalstimulation）”来改善患(huan)者(zhe)对肌肉的(de)控制，这种技(ji)术现在可以(yi)用(yong)(yong)于帮助(zhu)脊髓(sui)损伤的(de)患(huan)者(zhe)恢(hui)复活动能(neng)力(li)。MM 的(de)另一个可能(neng)的(de)用(yong)(yong)途(tu)是引(yin)导机械外骨骼，将(jiang)它(ta)连接到脚踝或(huo)其他关节，可以(yi)帮助(zhu)中风或(huo)其他类型肌无力(li)的(de)患(huan)者(zhe)更好的(de)行动。

结(jie)语：仿生假(jia)肢(zhi)技术层(ceng)出不穷，何(he)时(shi)能够(gou)商(shang)用(yong)？

目前仿生(sheng)假(jia)肢(zhi)技术层出不穷，比如前不久麻省理工学院同上海交通(tong)大学共同开发(fa)的靠空气驱动(dong)的软体(ti)机械手，既能让穿戴(dai)者(zhe)精确控(kong)制假(jia)肢(zhi)，还能拥有触觉。再比如今年四(si)月份美国北卡罗莱纳(na)州立大学的一项研(yan)究，让截(jie)肢(zhi)者(zhe)可以通(tong)过(guo)大脑(nao)信号控(kong)制假(jia)肢(zhi)。

不(bu)过这些技术目前都是(shi)存在于(yu)实(shi)验室中，离(li)落地商用还(hai)有不(bu)小的距离(li)。