這種仿生假肢有望讓截肢患者重獲自然行走體驗(yàn)
2024-07-05
來源：中國科學(xué)報(bào)
一項(xiàng)近日發(fā)表于《自然-醫(yī)學(xué)》的研究，報(bào)道了一種可以完全由大腦和脊髓控制的機(jī)器腿，使用這種仿生肢體的受試者比使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器腿的受試者行走速度快41%。此外，前者改變速度、爬樓梯和跨過障礙的能力更強(qiáng)，也更易保持平衡。
這種仿生肢體使用了計(jì)算機(jī)接口，可以放大剩余腿部肌肉的神經(jīng)信號，使佩戴者通過思想和自然反應(yīng)控制假肢移動(dòng)。論文合著者、美國麻省理工學(xué)院生物物理學(xué)家HughHerr指出，這是一個(gè)人腦而非計(jì)算機(jī)算法100%控制仿生假肢的完全神經(jīng)調(diào)節(jié)自然步態(tài)模式研究。
“盡管肢體是由鈦和有機(jī)硅塑料以及各種機(jī)電部件制成的，但它移動(dòng)很自然，你甚至都意識不到它動(dòng)了?！盚err說，他將來會(huì)考慮使用這種仿生肢體。
Herr曾是“攀巖天才”，但不幸的是，1982年他在美國新罕布什爾州華盛頓山上攀冰時(shí)遭遇暴風(fēng)雪，不慎摔入冰窟，被嚴(yán)重凍傷，后來雙腿傷勢嚴(yán)重不得不截肢。自那之后，假肢成了支撐他運(yùn)動(dòng)的不可或缺的存在，也成了他的研究對象。
現(xiàn)有的大多數(shù)仿生假肢都依賴預(yù)設(shè)算法來驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且可以在各種步行條件下自動(dòng)在預(yù)定義模式間進(jìn)行切換。雖然這種先進(jìn)的模型幫助截肢者更流暢地行走、跑步和爬樓梯，但控制腿部運(yùn)動(dòng)的仍是機(jī)器而不是用戶本身，而且這種假肢佩戴后仍然感覺不像身體的一部分。
為了改變這種情況，Herr和同事開發(fā)了一個(gè)接口，通過截肢后保留的神經(jīng)和肌肉的信號來控制機(jī)器肢體運(yùn)動(dòng)。
他們招募了14名膝蓋以下截肢的受試者，并將其平分成兩組，其中一組為接受常規(guī)截肢手術(shù)、佩戴普通假肢的對照組。而另一組為實(shí)驗(yàn)組，受試者在佩戴Herr等人開發(fā)的仿生假肢前，接受了一種被稱為激動(dòng)劑-拮抗劑肌神經(jīng)接觸術(shù)（AMI）的截肢手術(shù)。
AMI旨在重建自然的肌肉運(yùn)動(dòng)，是Herr和團(tuán)隊(duì)引以為傲的研究成果之一。它通過將腿部剩余的兩個(gè)相對的肌肉肌腱連接起來，使一塊肌肉收縮或拉伸時(shí)，另一塊肌肉能出現(xiàn)同樣的拉伸反應(yīng)，以幫助患者減輕幻肢痛、保持肌肉量，還能使仿生肢體佩戴起來更舒適。
仿生腿本身包括一個(gè)嵌入傳感器的假肢腳踝和連接到皮膚表面的電極，以捕捉截肢部位肌肉產(chǎn)生的電信號，并將其發(fā)送到小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行解碼。仿生腿重2.75公斤，與正常人體下肢的平均重量相近。
受試者每人使用仿生腿練習(xí)6小時(shí)。隨后開始測試，研究人員將實(shí)驗(yàn)組在各種任務(wù)中的表現(xiàn)與對照組進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)AMI使肌肉信號的速率增加到平均每秒10.5次脈沖，對照組為平均每秒0.7次脈沖。而生物完整肌肉中的肌肉信號約為每秒60次脈沖。盡管信號脈沖速率遠(yuǎn)未達(dá)正常水平，實(shí)驗(yàn)組受試者能夠完全控制假肢，行走速度比對照組快41%，而當(dāng)他們在在地面平坦的10米長走廊內(nèi)行走時(shí)，峰值速度和未截肢的人沒有太大差別。
此外，研究人員還測試了受試者在各種情況下的運(yùn)動(dòng)能力，包括在5度斜面上行走、爬樓梯和跨過障礙物。在所有情境下，實(shí)驗(yàn)組都比對照組更快、更平衡。
這項(xiàng)技術(shù)為想要重獲自然行走體驗(yàn)的截肢患者帶來了希望。Herr說，他和團(tuán)隊(duì)正在尋找用植入小磁球取代表面電極的方法。因?yàn)檫@種磁球可以更準(zhǔn)確地跟蹤肌肉運(yùn)動(dòng)。
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