仿生腿让截肢者重获自然体验|美国_新浪科技

本报讯一项7月1日发表于《自然-医学》的研究报道了一条可以完全由大脑和脊髓控制的机器腿，使用这种仿生肢体的受试者的行走速度比标准机器腿的受试者快41%。此外，前者变速、爬楼梯和跨过障碍物的能力也更强，更易保持平衡。

这种仿生肢体使用了计算机接口，可以放大剩余腿部肌肉的神经信号，使佩戴者通过思想和自然反应控制假肢移动。论文作者之一、美国麻省理工学院生物物理学家Hugh Herr指出，这是首个用人脑而非机器人算法100%控制仿生假肢的研究，展示了完全神经调节的自然步态模式。

“尽管肢体是由钛和有机硅塑料以及各种机电部件制成，但它感觉很自然，你甚至都意识不到它移动了。”Herr说，他将来会考虑使用这种仿生肢体。

Herr曾是“攀岩天才”，但不幸的是，1982年，他在美国新罕布什尔州华盛顿山上遭遇暴风雪，不慎坠入冰窟，被严重冻伤，后因双腿伤势严重不得不截肢。自那之后，假肢成了支撑他运动的不可或缺的存在，也成了他的研究对象。

现有的大多数仿生假肢都依赖预设算法来驱动，并且可以根据各种步行条件自动在预定义模式间切换。虽然这种先进的模型能帮助截肢者更流畅地行走、跑步和爬楼梯，但控制腿部运动的仍是机器而不是用户本身，而且这种假肢佩戴后感觉不像身体的一部分。

为了改变这种情况，Herr和同事开发了一个接口，通过截肢后保留的神经和肌肉信号控制机器肢体运动。

他们招募了14名膝盖以下截肢的受试者，并平分成两组，其中一组为接受常规截肢手术、佩戴普通假肢的对照组。而另一组为实验组，受试者在佩戴Herr等人开发的仿生假肢前，接受了一种名为激动剂-拮抗剂肌神经界面（AMI）的手术。

AMI旨在重建自然的肌肉运动，是Herr团队引以为傲的研究成果之一。它将腿部剩余的肌腱连接起来，使一块肌肉的收缩或拉伸，能在另一块肌肉出现同样的反应，以帮助截肢者减轻幻肢痛、保持肌肉量，并使仿生肢体佩戴起来更舒适。

仿生腿本身包含一个嵌入假肢脚踝的传感器和连接到皮肤表面的电极，以捕捉截肢部位肌肉产生的电信号，并将其发送到一台小型计算机进行解码。仿生假肢重2.75公斤，与正常人体下肢的平均重量相近。

受试者每人使用仿生假肢练习了6小时。随后，研究人员将实验组在各种任务中的表现与对照组进行比较，发现AMI使肌肉信号的速率增加到平均每秒10.5次脉冲，对照组为平均每秒0.7次脉冲。而生物完整肌肉中的肌肉信号约为每秒60次脉冲。尽管信号脉冲速率未达到正常水平，但实验组受试者能够完全控制假肢，行走速度比对照组快了41%。而当他们在地面平坦的10米长廊内行走时，峰值速度和未截肢的人没有太大差别。

此外，研究人员还测试了受试者在各种情况下的运动能力，包括在5度斜面上行走、爬楼梯和跨过障碍物。在所有场景下，实验组都比对照组更快、更平衡。

这项技术为想要重获自然行走体验的截肢者带来了希望。Herr说，他和团队正在寻找用植入小磁球取代表面电极的方法，因为这种磁球可以更准确地跟踪肌肉运动。（徐锐）