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

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

1982年，18岁的攀岩运动员Hugh Herr因攀岩中遭遇暴风雪，导致双腿膝盖以下截肢，经过手术和恢复后，他使用自己设计的假肢，继续攀岩运动，并取得了更好的成绩，这也让他成为第一个在运动项目中表现媲美精英级健全人的大面积截肢者。

除了运动天赋以外，Hugh Herr还是麻省理工学院（MIT）的教授，他的实验室致力于开发可穿戴机器人系统，从而帮助像自己这样的截肢或疾病患者康复，以及增强健全人的身体机能。

2024年7月1日，Hugh Herr团队在国际顶尖医学期刊Nature Medicine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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9