研究人员为腿部截肢患者开发出脑驱动假肢

“我们能够首次展示仿生步行的完全神经控制，”这项研究的第一作者、麻省理工学院的博士后研究员 Hyungeun Song 说。

大多数最先进的仿生假肢依靠的是预先编程的机器人指令，而不是使用者的大脑信号。先进的机器人技术可以感知环境并反复激活预先定义的腿部运动，以帮助人们在这种地形上行走。

但许多此类机器人在平地上表现最佳，在遇到诸如颠簸或水坑等常见障碍物时会遇到困难。佩戴假肢的人在假肢运动时通常无法调整假肢，尤其是在突然的地形变化时。

“当我走路时，感觉就像有人在帮我走路，因为算法正在向马达发送命令，而我却没有，”这项研究的首席研究员、麻省理工学院媒体艺术与科学教授、生物机电一体化领域的先驱休·赫尔 (Hugh Herr) 说道，生物机电一体化是将生物学与电子学和机械学融合在一起的领域。几年前，赫尔的双腿因冻伤而膝盖以下截肢，他使用先进的机器人假肢。

“越来越多的证据 [showing] “当你将大脑与机电假肢连接起来时，就会出现一种具体化的情况，个体会将假肢视为自己身体的自然延伸，”赫尔说。

作者与 14 名研究参与者合作，其中一半通过一种称为激动剂-拮抗剂肌神经接口（AMI）的方法接受膝下截肢，而另一半则接受传统截肢。

哈佛大学工程与应用科学学院教授康纳·沃尔什 (Conor Walsh) 表示：“这项研究最酷的地方在于它如何将手术创新与技术创新结合起来，”沃尔什专门研究可穿戴辅助机器人的开发，但他没有参与这项研究。

AMI 截肢术是为了解决传统腿部截肢手术的局限性而开发的，传统截肢手术会切断截肢部位的重要肌肉连接。

肌肉成对运动，使动作成为可能。一块肌肉（称为主动肌）收缩以移动肢体，另一块肌肉（称为拮抗肌）则响应而伸长。例如，在二头肌弯举过程中，二头肌是主动肌，因为它收缩以抬起前臂，而三头肌是拮抗肌，因为它伸长以进行运动。

当手术截肢切断肌肉对时，患者术后感觉肌肉收缩的能力就会受到损害，从而损害他们准确、精细地感知假肢在空间中位置的能力。

相比之下，AMI 手术重新连接剩余肢体的肌肉，以复制人体从完整肢体获得的宝贵肌肉反馈。

华盛顿大学机械工程学助理教授埃里克·罗姆博卡斯 (Eric Rombokas) 表示，这项研究“是下一代假肢技术运动的一部分，该技术不仅解决运动问题，还解决感觉问题”。他并未参与这项研究。

AMI 膝下截肢手术被称为 尤文截肢 继 2016 年首位接受该手术的人吉姆·尤因 (Jim Ewing) 之后。

接受尤文截肢术的患者残肢的肌肉萎缩较少，幻肢痛（即在不再存在的肢体中感到不适的感觉）也较轻。

研究人员为所有参与者安装了一种新型仿生肢体，包括假肢踝关节、测量肌肉运动电活动的装置和放置在皮肤表面的电极。

大脑向肌肉发送电脉冲，使肌肉收缩。肌肉收缩会产生自己的电信号，电极会检测到这些电信号，并将其发送到假肢上的小型计算机。然后，计算机将这些电信号转换为假肢的力量和运动。

这项研究的参与者艾米·皮特拉菲塔 (Amy Pietrafitta) 在严重烧伤后接受了尤文截肢手术，她说，仿生肢体让她能够再次伸展双脚并进行舞蹈动作。

“能够有这种屈曲度让这一切变得更加真实，”皮特拉菲塔说。“感觉一切都在那儿。”

由于肌肉感觉增强，接受尤文截肢手术的参与者能够使用仿生肢体比接受传统截肢手术的参与者行走得更快、步态更自然。

当一个人必须偏离正常的行走模式时，他们通常必须更加努力才能走动。

布莱根妇女医院的整形外科医生、第一位实施 AMI 手术的医生马修·卡蒂 (Matthew J. Carty) 表示：“这种能量消耗……会导致我们的心脏和肺部更加卖力地工作……并可能导致我们的髋关节或下脊柱逐渐受损。”

接受尤文氏截肢手术并安装新假肢的患者也能够轻松地爬上坡道和楼梯。他们能够平稳地调整脚步，将自己推上楼梯，并在下楼梯时吸收冲击力。

研究人员希望这种新型假肢能够在未来五年内实现商业化。

赫尔说：“我们开始看到这个美好的未来：一个人可能失去身体的主要部分，但有技术可以重建身体的这一部分，使其恢复完整的功能。”