麻省理工學(xué)院的一個研究團(tuán)隊正在開發(fā)一種控制假肢的新方法，通過在肌肉中植入小磁珠精確測量肌肉收縮的長度，并將這種信號反饋給假肢，來實(shí)現(xiàn)對假肢更精準(zhǔn)的控制。
經(jīng)過測試，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，這個長度與人類頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)，并且信號延遲只有3 毫秒，比傳統(tǒng)上利用肌電信號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，論文名稱為 Magnetomicrometry。
一、讓傳感器知道肌肉在做什么，控制假肢能更精準(zhǔn)
對于穿戴假肢的截肢者來說，最大的挑戰(zhàn)之一就是像控制自己本來的肢體一樣自然地控制假肢。
目前有兩種較常見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，這種方式對假肢的控制有限，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，盡管這種方式對假肢的控制相對上一種會更加準(zhǔn)確，但是需要進(jìn)行手術(shù)植入且價格昂貴。
然而不管是以上兩種方式的哪一種，都是基于肌電信號來作出反應(yīng)，而不是實(shí)際的肌肉變化。“當(dāng)你使用肌電信號控制假肢時，你得到的只是大腦告訴肌肉應(yīng)該怎么做的信號，而不是肌肉的實(shí)際動作。”麻省理工學(xué)院博士后 Cameron Taylor 說。
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)這個目標(biāo)，他們決定將成對的磁鐵植入到肌肉中，通過測量這些磁鐵的運(yùn)動來計算肌肉收縮的程度和速度，以此來控制假肢的運(yùn)動。這種方法被他們稱作 Magnetomicrometry(MM)。
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 毫米的小磁珠成對的植入火雞的腿部肌肉，每對磁珠之間的距離為 3 厘米，他們發(fā)現(xiàn)如果離得更近的話，磁珠就會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 MM 進(jìn)行了測試，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，他們移動火雞的踝關(guān)節(jié)時，可以在 3 毫秒內(nèi)得到測量結(jié)果。
“我們希望 MM 能取代肌電信號，成為將神經(jīng)系統(tǒng)與仿生肢體聯(lián)系起來的主要方式，因?yàn)槲覀兛梢岳?MM 獲得更高質(zhì)量的信號。”論文作者之一 Hugh Herr 說。
為了讓截肢者控制假肢，這些測量結(jié)果會被輸入到計算機(jī)模型中。該模型根據(jù)截肢者剩余肌肉的收縮情況來預(yù)測其希望進(jìn)行的動作。這種策略引導(dǎo)假肢按照截肢者希望的方式來移動，與他們想象中的肢體位置相匹配。
Hugh Herr 說：“通過 MM，我們可以直接測量肌肉收縮的長度和收縮速度。然后通過我們對肢體的數(shù)學(xué)建模，可以計算出要控制的假肢的目標(biāo)位置和需要移動的速度，只需要一個簡單的機(jī)器人控制器就可以控制這些關(guān)節(jié)。”
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
研究人員稱接下來的研究將圍繞膝蓋以下截肢的患者開展，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)也不會有太多監(jiān)管障礙。
除了控制假肢之外，研究者說 MM 還有其他的用途，比如它可以通過“功能性電刺激技術(shù)(functional electrical stimulation)”來改善患者對肌肉的控制，這種技術(shù)現(xiàn)在可以用于幫助脊髓損傷的患者恢復(fù)活動能力。MM 的另一個可能的用途是引導(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)或其他類型肌無力的患者更好的行動。
結(jié)語：仿生假肢技術(shù)層出不窮，何時能夠商用?
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)共同開發(fā)的靠空氣驅(qū)動的軟體機(jī)械手，既能讓穿戴者精確控制假肢，還能擁有觸覺。再比如今年四月份美國北卡羅萊納州立大學(xué)的一項(xiàng)研究，讓截肢者可以通過大腦信號控制假肢。
不過這些技術(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。
關(guān)鍵詞： 麻省理工 肌肉 磁珠 假肢 精準(zhǔn)控制
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