8 月 19 日消息，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種控制假肢的新方法，通過(guò)在肌肉中植入小磁珠精確測(cè)量肌肉收縮的長(zhǎng)度，并將這種信號(hào)反饋給假肢，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢更精準(zhǔn)的控制。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)利用這種方法傳感器最低可以感受到肌肉 37 微米的收縮，這個(gè)長(zhǎng)度與人類(lèi)頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)，并且信號(hào)延遲只有 3 毫秒，比傳統(tǒng)上利用肌電信號(hào)控制假肢的方法要更加精確。

這項(xiàng)研究于 8 月 18 日發(fā)表在 Science 子刊 Science Robotics 上，論文名稱(chēng)為 Magnetomicrometry。

論文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabg0656

一、讓傳感器知道肌肉在做什么，控制假肢能更精準(zhǔn)

對(duì)于穿戴假肢的截肢者來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)之一就是像控制自己本來(lái)的肢體一樣自然地控制假肢。

目前有兩種較常見(jiàn)的可以讓截肢者自由控制假肢的方式。一種方式是將電極連接在皮膚表面獲取肌電信號(hào)，這種方式對(duì)假肢的控制有限，并且還不夠靈活。另一種方式是將電極植入肌肉以獲取肌電信號(hào)，盡管這種方式對(duì)假肢的控制相對(duì)上一種會(huì)更加準(zhǔn)確，但是需要進(jìn)行手術(shù)植入且價(jià)格昂貴。

然而不管是以上兩種方式的哪一種，都是基于肌電信號(hào)來(lái)作出反應(yīng)，而不是實(shí)際的肌肉變化。“當(dāng)你使用肌電信號(hào)控制假肢時(shí)，你得到的只是大腦告訴肌肉應(yīng)該怎么做的信號(hào)，而不是肌肉的實(shí)際動(dòng)作。”麻省理工學(xué)院博士后 Cameron Taylor 說(shuō)。

研究人員想，如果傳感器可以感知到肌肉正在做什么，那么應(yīng)該能夠更加精準(zhǔn)的控制假肢。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他們決定將成對(duì)的磁鐵植入到肌肉中，通過(guò)測(cè)量這些磁鐵的運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算肌肉收縮的程度和速度，以此來(lái)控制假肢的運(yùn)動(dòng)。這種方法被他們稱(chēng)作 Magnetomicrometry（MM）。

▲ Magnetomicrometry 工作原理示意圖

二、新技術(shù)能感知 37 微米的肌肉收縮，延遲只有 3 毫秒

研究人員將直徑為 3 毫米的小磁珠成對(duì)的植入火雞的腿部肌肉，每對(duì)磁珠之間的距離為 3 厘米，他們發(fā)現(xiàn)如果離得更近的話(huà)，磁珠就會(huì)相互吸引而改變位置。

磁珠植入好之后，研究人員用自己的算法對(duì) MM 進(jìn)行了測(cè)試，他們將一系列磁性傳感器放到火雞腿部外側(cè)，發(fā)現(xiàn)傳感器感知磁珠位置變化的精度可以達(dá)到 37 微米。并且，他們移動(dòng)火雞的踝關(guān)節(jié)時(shí)，可以在 3 毫秒內(nèi)得到測(cè)量結(jié)果。

“我們希望 MM 能取代肌電信號(hào)，成為將神經(jīng)系統(tǒng)與仿生肢體聯(lián)系起來(lái)的主要方式，因?yàn)槲覀兛梢岳?MM 獲得更高質(zhì)量的信號(hào)。”論文作者之一 Hugh Herr 說(shuō)。

為了讓截肢者控制假肢，這些測(cè)量結(jié)果會(huì)被輸入到計(jì)算機(jī)模型中。該模型根據(jù)截肢者剩余肌肉的收縮情況來(lái)預(yù)測(cè)其希望進(jìn)行的動(dòng)作。這種策略引導(dǎo)假肢按照截肢者希望的方式來(lái)移動(dòng)，與他們想象中的肢體位置相匹配。

Hugh Herr 說(shuō)：“通過(guò) MM，我們可以直接測(cè)量肌肉收縮的長(zhǎng)度和收縮速度。然后通過(guò)我們對(duì)肢體的數(shù)學(xué)建模，可以計(jì)算出要控制的假肢的目標(biāo)位置和需要移動(dòng)的速度，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制器就可以控制這些關(guān)節(jié)。”

▲ 通過(guò)測(cè)量肌肉收縮控制假肢動(dòng)作

三、小磁珠一次植入終生有效，還能幫中風(fēng)患者恢復(fù)行動(dòng)

研究人員稱(chēng)接下來(lái)的研究將圍繞膝蓋以下截肢的患者開(kāi)展，另外他們還設(shè)想將用于控制假肢的傳感器固定在衣服、皮膚表面或假肢的外部。

研究者還提到 MM 最大的優(yōu)點(diǎn)是微創(chuàng)，只需要一個(gè)很小的傷口就可以將小磁珠植入到肌肉里，并且這些珠子可以終生保持原位而無(wú)需更換。因此，這一方法的成本較低，并且相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)也不會(huì)有太多監(jiān)管障礙。

除了控制假肢之外，研究者說(shuō)MM還有其他的用途，比如它可以通過(guò)“功能性電刺激技（functionalelectricalstimulation）”來(lái)改善患者對(duì)肌肉的控制，這種技術(shù)現(xiàn)在可以用于幫助脊髓損傷的患者恢復(fù)活動(dòng)能力。MM 的另一個(gè)可能的用途是引導(dǎo)機(jī)械外骨骼，將它連接到腳踝或其他關(guān)節(jié)，可以幫助中風(fēng)或其他類(lèi)型肌無(wú)力的患者更好的行動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)：仿生假肢技術(shù)層出不窮，何時(shí)能夠商用？

目前仿生假肢技術(shù)層出不窮，比如前不久麻省理工學(xué)院同上海交通大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的靠空氣驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械手，既能讓穿戴者精確控制假肢，還能擁有觸覺(jué)。再比如今年四月份美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)的一項(xiàng)研究，讓截肢者可以通過(guò)大腦信號(hào)控制假肢。

不過(guò)這些技術(shù)目前都是存在于實(shí)驗(yàn)室中，離落地商用還有不小的距離。