曾因攀岩事故双腿截肢，MIT教授开发连接大脑神经的仿生腿，帮助截肢者恢复正常行走

来源：生物世界 2024-07-03 10:57

这项技术为那些想要恢复自然行走体验的截肢者带来了新的希望。截肢者想要控制自己的肢体，希望肢体成为身体的一部分，而该研究开发的神经义肢接口是创造这一切的必要条件。

HughHerr团队在国际顶尖医学期刊NatureMedicine上发表了题为：Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation的研究论文。

该研究开发了一种神经义肢接口，将来自大脑的信号与义肢连接，由此构建的仿生腿对人体神经系统产生完全响应，帮助使用者根据自己的想法和自然反射来行走。在14名膝下截肢人士参与的临床试验中，仿生腿帮助他们和没有截肢的健全人走得差不多快，让他们使拥有了具有更好的平衡能力以及改变速度、爬楼梯和跨越障碍的能力。

这些结果表明，即使只恢复部分神经信号传导，或许也足以实现神经义肢功能的临床相关改善。

Hugh Herr教授

该研究的领导者Hugh Herr教授表示，这是第一项展示了全神经调控下自然步态模式的研究，在这种模式下，人的大脑能100%控制仿生义肢，而不是由机器人算法控制。尽管这个义肢由钛、硅以及各种机电部件组成，但其使用起来的感觉很自然，甚至不用有意识地去思考，它就能自然移动。

当肌肉遇上机器

目前大多数现有的仿生义肢依赖于预设算法来驱动运动，并能在为各种步行状况预设的模式之间自动切换。目前前沿的仿生义肢已经能够帮助截肢者更流畅地行走、跑步和爬楼梯，但控制腿部运动的是义肢而非使用者本人，而且使用者也会感觉到该义肢并非身体的一部分。

Hugh Herr决心改变这种情况，他和团队开发了一种神经义肢接口，利用截肢后残留的神经和肌肉发出的信号来控制义肢，具体来说，通过手术将成对的主动肌-拮抗肌与感知电极相连，这些成对的动态肌肉在残肢内通过手术构建，作为腿部截肢人士的神经义肢控制和本体感受来源。这个接口能将患者的神经控制信息传给一个外部义肢，并进一步将义肢位置和运动的本体感受传回给使用者。

接下来，研究团队进行了一项14名膝盖以下截肢患者参与的临床试验，在佩戴该仿生义肢装置之前，其中7人接受了手术，将腿部残端的成对的主动肌-拮抗肌连接在一起，不仅能够重建自然的肌肉运动，还有助于减轻疼痛，保留肌肉量，提高仿生义肢的舒适度。该仿生腿整体重量为2.75公斤，与天然小腿的平均重量相当。

快速进步

为了测试该系统，研究团队让每位参与者使用新的仿生腿总共练习6个小时。随后，将他们在各项任务中的表现与另外7名接受了传统手术和义肢的参与者进行了比较。

结果显示，该神经义肢接口将试验组肌肉信号的速率平均提高到了每秒10.5次脉冲，而使用传统义肢的对照组约为每秒0.7次脉冲，试验组参与者能够完全控制他们的仿生腿，行走速度比对照组快41%。在沿着10米长的平坦走廊步行时，他们的峰值速度与未截肢的健全人相当。

值得一提的是，这一效果是在仅仅练习6小时后取得的，如果更长时间的佩戴和使用，他们将获益更多。

研究团队还测试了参与者在各种情况下的应对能力，在真实世界环境中，包括斜坡、台阶和被堵住的小路，在所有情况下，仿生腿使用者都比对照组表现出更好的平衡性和更快的运动能力。

使用仿生腿的试验参与者比那些使用标准机器腿的人走得更快

自然体验

这项技术为那些想要恢复自然行走体验的截肢者带来了新的希望。截肢者想要控制自己的肢体，希望肢体成为身体的一部分，而该研究开发的神经义肢接口是创造这一切的必要条件。

该设备使用的表面电极对湿度和汗水很敏感，这导致其可能还不适合日常使用，因此，还需要进一步改进以满足短跑和跳跃等更高的运动要求。

Hugh Herr教授表示，团队正在开发一种新方法，使用植入的可精确跟踪肌肉运动的小磁性球来取代表面电极，以解决当前的不足。

总的来说，这些研究结果或可用于指导今后的肢体重建技术，从而恢复截肢或运动瘫痪人士对身体运动的神经控制。

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