8 月 19 日消息，麻省理工學院的一個研究團隊正在開發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，來實現對假肢更精準的控制。

經過測試，研究人員發現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絲的直徑相當，并且信號延遲只有 3 毫秒，比傳統上利用肌電信號控制假肢的方法要更加精確。

這項研究于 8 月 18 日發表在 Science 子刊 Science Robotics 上，論文名稱為 Magnetomicrometry。

論文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabg0656

一、讓傳感器知道肌肉在做什么，控制假肢能更精準

對于穿戴假肢的截肢者來說，最大的挑戰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確，但是需要進行手術植入且價格昂貴。

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，而不是實際的肌肉變化。“當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該怎么做的信號，而不是肌肉的實際動作。”麻省理工學院博士后 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，那么應該能夠更加精準的控制假肢。

為了實現這個目標，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動來計算肌肉收縮的程度和速度，以此來控制假肢的運動。這種方法被他們稱作 Magnetomicrometry（MM）。

▲ Magnetomicrometry 工作原理示意圖

二、新技術能感知 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，他們發現如果離得更近的話，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 進行了測試，他們將一系列磁性傳感器放到火雞腿部外側，發現傳感器感知磁珠位置變化的精度可以達到 37 微米。并且，他們移動火雞的踝關節時，可以在 3 毫秒內得到測量結果。

“我們希望 MM 能取代肌電信號，成為將神經系統與仿生肢體聯系起來的主要方式，因為我們可以利用 MM 獲得更高質量的信號。”論文作者之一 Hugh Herr 說。

為了讓截肢者控制假肢，這些測量結果會被輸入到計算機模型中。該模型根據截肢者剩余肌肉的收縮情況來預測其希望進行的動作。這種策略引導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學建模，可以計算出要控制的假肢的目標位置和需要移動的速度，只需要一個簡單的機器人控制器就可以控制這些關節。”

▲ 通過測量肌肉收縮控制假肢動作

三、小磁珠一次植入終生有效，還能幫中風患者恢復行動

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 最大的優點是微創，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，并且相關監管機構也不會有太多監管障礙。

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（functionalelectricalstimulation）”來改善患者對肌肉的控制，這種技術現在可以用于幫助脊髓損傷的患者恢復活動能力。MM 的另一個可能的用途是引導機械外骨骼，將它連接到腳踝或其他關節，可以幫助中風或其他類型肌無力的患者更好的行動。

結語：仿生假肢技術層出不窮，何時能夠商用？

目前仿生假肢技術層出不窮，比如前不久麻省理工學院同上海交通大學共同開發的靠空氣驅動的軟體機械手，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的一項研究，讓截肢者可以通過大腦信號控制假肢。

不過這些技術目前都是存在于實驗室中，離落地商用還有不小的距離。