這是史上第一次，膝蓋以下截肢的患者有機(jī)會(huì)能通過神經(jīng)信號(hào)控制機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)，并以自然步態(tài)恢復(fù)行走了。

該研究出自麻省理工學(xué)院（MIT）。想做到這一點(diǎn)的患者需要進(jìn)行專門的手術(shù)，并將非侵入性表面電極連接到機(jī)器人假肢小腿上。相關(guān)論文已發(fā)表于昨日出版的 Nature 子刊《自然醫(yī)學(xué)》。

• 論文標(biāo)題：Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation
• 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9

人類的大多數(shù)肢體運(yùn)動(dòng)由輪流伸展和收縮的成對(duì)肌肉控制。在傳統(tǒng)的膝下截肢過程中，這些成對(duì)肌肉的相互作用被打亂。這使得神經(jīng)系統(tǒng)很難感知肌肉的位置和收縮速度 —— 而這些感覺信息對(duì)于大腦決定如何移動(dòng)肢體至關(guān)重要。

遭遇過這種截肢的人可能會(huì)難以控制他們的假肢，因?yàn)樗麄儫o法準(zhǔn)確感知肢體在空間中的位置。現(xiàn)在，他們可以依靠?jī)?nèi)置在假肢中的機(jī)器人控制器來實(shí)現(xiàn)感知了，這些機(jī)械腿還包括可以檢測(cè)和應(yīng)對(duì)斜坡和障礙物的傳感器。

「接下來發(fā)生的事情相當(dāng)神奇。擁有這種神經(jīng)接口的患者能夠以正常速度行走，上下臺(tái)階和斜坡，并且無需思考就能繞過障礙物，這是自然的、下意識(shí)的行為，」MIT Media Lab 教授、論文合著者 Hugh Herr 說道。「即使他們的小腿是由鈦和硅膠制成的 —— 所有這些機(jī)電元件 —— 仿生肢體的感覺很自然，運(yùn)動(dòng)也很自然，雖然沒有意識(shí)。」

該方法依賴于截肢部位的手術(shù)，以創(chuàng)建研究人員所稱的興奮劑 - 拮抗劑肌神經(jīng)接口（AMI）。接下來的程序涉及連接肌肉對(duì)（對(duì)于膝下截肢，則為兩對(duì)）以及引入專有的合成元件。

新型機(jī)械腿的「人機(jī)接口」在身體和機(jī)器之間建立了雙向連接。肌肉感應(yīng)電極將信號(hào)發(fā)送到假肢內(nèi)置的一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)，芯片將其解釋為踝關(guān)節(jié)和腳掌關(guān)節(jié)的角度和力量。它還會(huì)發(fā)回有關(guān)假肢位置的信息，恢復(fù)肢體在空間中的位置感，也稱為本體感覺（proprioception）。

「這種特殊的控制模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們所能想到的范圍，」佛羅里達(dá)大學(xué)神經(jīng)機(jī)械工程師 Daniel Ferris 表示。「他們?cè)谶^去八年中逐步建立了這種創(chuàng)新的方法，并且顯示出了更好的仿生小腿的積極成果。」最新發(fā)表的研究中值得注意的是，參與者人數(shù)比以前的研究要多，其中包括七名接受治療的患者和七名接受對(duì)照的患者。

在該工作中，為了測(cè)試仿生腿，研究者要求患者以不同的速度在平地上行走、上下斜坡和樓梯，并繞過障礙物。

相比以往的機(jī)械腿，AMI 用戶的步態(tài)更加自然，更接近自然人類肢體的運(yùn)動(dòng)。在一些復(fù)雜的地形上，更自然的動(dòng)作可以提高運(yùn)動(dòng)自由度，此外在其他研究中，研究人員還注意到能量消耗減少、身體壓力減少等優(yōu)勢(shì)，新型機(jī)械腿甚至為一些截肢者帶來了額外好處。

論文合著者、MIT 博士后研究員 Hyungeun Song 表示，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)仿生裝置的效率感到驚訝。假肢接口僅發(fā)送了肢體向脊柱發(fā)送的典型信息量的 18%，但這就足以讓患者以正常步態(tài)行走了。

這里的主要發(fā)現(xiàn)之一是，截肢肢體的神經(jīng)反饋只需稍有增加，就可以獲得明顯的仿生神經(jīng)可控性，達(dá)到允許人們直接神經(jīng)控制行走速度、適應(yīng)不同地形和避開障礙物的程度。

仿生腿的下一步

AMI 截肢現(xiàn)在已成為馬薩諸塞州 Brigham 婦女醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)，論文的合著者 Matthew Carty 就職于該醫(yī)院。由于患者對(duì)于機(jī)械或非機(jī)械假肢的需求，這種技術(shù)（或類似技術(shù)）可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的研究范圍。迄今為止，全球約有 60 人接受了肘部或膝蓋上方或下方的 AMI 手術(shù)。

Herr 表示，原則上，像他這樣曾經(jīng)截肢的人可以接受 AMI 康復(fù)治療，他正在認(rèn)真考慮這一手術(shù)。根據(jù)截肢者聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，目前有 200 多萬美國(guó)人失去了肢體，美國(guó)每年有近 20 萬條小腿被截肢。

該論文的作者之一，MIT 教授 Hugh Herr。

在機(jī)器人技術(shù)方面，已經(jīng)有可以與神經(jīng)接口兼容的商用腿部假肢出現(xiàn)了。最需要開發(fā)的領(lǐng)域是截肢部位和假肢之間的連接。Herr 表示，該界面的商業(yè)化可能還需要五年左右的時(shí)間。

Herr 表示，他們的長(zhǎng)期目標(biāo)是神經(jīng)整合和具體化：讓機(jī)械腿成為身體的一部分，而不是工具。這項(xiàng)新研究「是向前邁出的關(guān)鍵一步」。