网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

仿生手臂控制新思路,磁性植入让截肢者重获灵巧抓握功能

0
分享至

近日,Science Robotics最新封面刊登了一项突破性研究成果。来自比萨圣安娜高等学校的研究团队首次在人体上成功实施了基于肌动控制接口(肌动控制接口)的假肢控制系统,为截肢患者提供了一种全新的假肢控制方式。这项研究不仅展示了该技术的临床可行性,还为进一步探索人机交互的新途径奠定了基础。

肌动控制接口的核心理念是利用骨骼肌在收缩过程中的物理位移来解码用户的意图。研究团队通过微创手术在受试者残肢的三块肌肉中植入了六枚永磁体,并开发了一套完全自给自足的假肢系统,包括所有硬件组件和电池都内置于假肢接受腔内。系统通过检测磁体的位置变化来捕捉肌肉收缩引起的变形,从而实现对灵巧机器人手的实时控制。

实验结果令人鼓舞:在短短6周内,受试者就成功完成了一系列功能测试,其表现与使用标准肌电控制器相当,且身体和精神负担相近。这一成果为进一步探索这一尚未充分开发的领域铺平了道路,也证明了一种直观连接人类与机器人技术的可行方案。

技术突破与创新

肌动控制接口的提出为假肢控制领域带来了全新的思路。与传统依赖神经和肌肉电信号的方法不同,该技术利用肌肉收缩引起的物理位移来解读用户意图,为开发更加直观、精准的人机接口提供了新的可能性。

研究团队在一名左前臂远端截肢的受试者身上进行了临床验。他们选择了三块目标肌肉:尺侧腕屈肌(FCU)、伸指肌(ED)和长拇屈肌(FPL),在每块肌肉的近端和远端各植入一枚圆柱形永磁体,共计6枚。磁体直径和高度均为2毫米,由医用级聚对二甲苯包覆。

为了监测磁体的位移情况,研究人员在植入期间进行了定期超声成像。结果显示,磁体在相应肌肉收缩时能产生稳定的位移。例如,拇指屈曲时,FPL近端和远端磁体分别产生约0.5毫米和1毫米的位移;尺偏时,FCU近端磁体在纵向和横向均产生约1毫米位移,远端磁体在纵向产生1毫米、横向0.5毫米位移;四指伸展时,ED近端和远端磁体的位移在植入后几周内逐渐增加,最终达到平均1毫米以上。

为了实现假肢控制,研究团队开发了一套经皮磁体定位器(TML)。TML通过布置在接受腔内的140个传感器网格采样磁场,并利用数值求解方法解决磁静力学反问题,从而实时追踪磁体的位置和方向。这些信息被用作肌动控制器的输入信号,经过处理后转化为对机器人手的控制命令。

研究人员设计了两种控制策略:直接控制和模式识别。在直接控制模式下,系统将FPL远端和FCU近端磁体之间的收缩位移映射到机器人手的开合动作。由于这两块肌肉分别负责手腕的旋前和旋后,因此这种映射方式非常直观。系统设置了正负阈值来检测开手和闭手意图,并通过线性映射实现比例控制,使手部开合速度与肌肉收缩程度成正比。

为了避免肘部活动引起的误触发,研究人员还实现了一个启用/禁用开关。系统通过监测ED近端和远端磁体之间静息距离的变化率来判断肘部是否在运动。一旦超过阈值,系统就会暂时禁用控制输入,直到变化率保持在阈值以下至少400毫秒后才重新启用。

在模式识别控制模式下,系统使用线性支持向量机算法实现三分类(手部开启、闭合和静止)。研究人员从磁体位置数据中提取了多个特征,包括磁体间距离、相对角度等,作为分类器的输入。这种方法可以识别更复杂的肌肉活动模式,为实现多自由度控制奠定了基础。

临床应用前景与局限性

这项研究首次在人体上验证了肌动控制接口的可行性,为截肢患者提供了一种新的假肢控制选择。与传统的肌电控制相比,该技术具有几个潜在优势:

首先,植入的永磁体不需要无线供电或经皮导线,大大降低了感染风险和长期稳定性问题。其次,磁体的尺寸比现有的植入式肌电传感器更小,可以植入更多肌肉部位,理论上能实现更多自由度的控制。再者,磁体位移提供了肌肉长度和速度的直接测量,有望更准确地关联肌肉激活与肌力,从而实现更精细的控制。

然而,这项技术仍然存在一些局限性。研究发现,只有FCU和FPL的收缩位移表现出较好的独立性,而且这种独立性在肘部屈曲时会受到影响。肘部活动还会改变磁体在肌肉静息状态下的绝对位置和相对距离。这些因素增加了信号处理的复杂性,也限制了可独立控制的自由度数量。

尽管如此,研究团队通过巧妙的算法设计克服了部分困难。例如,他们发现利用FPL远端和FCU近端磁体之间的距离变化来控制手部开合效果很好,这一信号对肘部角度的变化具有较强的鲁棒性。通过设置启用/禁用开关,他们还有效避免了肘部活动引起的误触发问题。

未来发展与挑战

这项开创性研究为肌动控制接口的进一步发展指明了方向。研究团队认为,未来的工作应该集中在以下几个方面:

首先,需要深入研究肌肉收缩和组织变形的生物力学机制。这将有助于优化磁体的植入位置和数量,以获得更独立、更稳定的控制信号。其次,需要改进手术技术和磁体设计,以最大化信号质量并最小化组织反应。第三,需要开发更先进的信号处理和机器学习算法,以从有限的输入信号中提取更多信息,实现多自由度的同时控制。

此外,长期临床试验也是必不可少的。虽然这项为期6周的研究没有发现明显的不良反应,但仍需要评估磁体长期植入的安全性和稳定性。同时,也需要研究患者对这种新型接口的适应过程和长期使用体验。

总的来说,肌动控制接口为假肢控制领域带来了新的可能性。虽然目前还存在一些技术挑战,但这项技术展示了巨大的潜力。它不仅可能为截肢患者提供更直观、更灵活的假肢控制方式,还为探索人机交互的新途径开辟了道路。随着技术的不断完善,我们有理由期待在不久的将来,这种基于磁体植入的假肢控制系统能够为更多患者带来福音,帮助他们重获失去的功能,提高生活质量。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp3260

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
一个都跑不掉!华为600万年薪高管,带13人偷芯片,如今下场解气

一个都跑不掉!华为600万年薪高管,带13人偷芯片,如今下场解气

涵豆说娱
2025-11-07 17:47:01
日本对华援助40年,金额超万亿日元,这声“谢谢”该由谁来说?

日本对华援助40年,金额超万亿日元,这声“谢谢”该由谁来说?

小小包工头阿汾
2026-01-08 02:55:23
3年1.75亿,浓眉哥遭疯狂兜售!美媒晒5大下家候选:勇士位列第4

3年1.75亿,浓眉哥遭疯狂兜售!美媒晒5大下家候选:勇士位列第4

锅子篮球
2026-01-07 23:50:58
2026年如果房价继续下跌,我国有一半的家庭或将面临三个现实压力

2026年如果房价继续下跌,我国有一半的家庭或将面临三个现实压力

装修秀
2025-12-11 11:20:03
财政怎么越来越紧?钱都去哪儿了?终于有人说清楚了!

财政怎么越来越紧?钱都去哪儿了?终于有人说清楚了!

搬砖营Z
2025-08-24 22:56:05
超级翻转?闫学晶:我被平台算法坑惨了

超级翻转?闫学晶:我被平台算法坑惨了

李健政观察
2026-01-06 16:19:09
新西兰人:中国喜欢一箭双雕后敲骨吸髓!573团阵亡95%爆杀400人

新西兰人:中国喜欢一箭双雕后敲骨吸髓!573团阵亡95%爆杀400人

小豫讲故事
2026-01-05 06:00:06
特斯拉中国:购买Model 3和Model Y、Model Y L车型5年0息

特斯拉中国:购买Model 3和Model Y、Model Y L车型5年0息

极目新闻
2026-01-06 09:58:24
四大皆空?62岁穆帅眼神呆滞:1-3出局+已4年无冠 或连续3年被解雇

四大皆空?62岁穆帅眼神呆滞:1-3出局+已4年无冠 或连续3年被解雇

风过乡
2026-01-08 06:59:43
北京多区取消期末统考,鸡娃家长天都塌了!

北京多区取消期末统考,鸡娃家长天都塌了!

特特农村生活
2026-01-07 14:41:03
今日金价一夜突变!1月8日调整后,全国珠宝店,黄金最新售价

今日金价一夜突变!1月8日调整后,全国珠宝店,黄金最新售价

别人都叫我阿腈
2026-01-08 06:59:15
瓜帅愁坏了!曼城三连平+锋线集体哑火!7500万新援成救命稻草

瓜帅愁坏了!曼城三连平+锋线集体哑火!7500万新援成救命稻草

听我说球
2026-01-08 09:10:17
阿根廷大逆袭!米莱执政两年,通胀暴跌,经济增速扭负为正!

阿根廷大逆袭!米莱执政两年,通胀暴跌,经济增速扭负为正!

百态人间
2026-01-07 16:41:49
宏远球迷给胡明轩取了一个新外号

宏远球迷给胡明轩取了一个新外号

体育哲人
2026-01-07 11:26:49
梁兴初最后悔的事:如果同意毛岸英去38军,他就不会牺牲了

梁兴初最后悔的事:如果同意毛岸英去38军,他就不会牺牲了

云霄纪史观
2026-01-08 09:23:51
猝不及防!李在明赠华两大厚礼,恰似两颗子弹直冲高市早苗要害

猝不及防!李在明赠华两大厚礼,恰似两颗子弹直冲高市早苗要害

科普100克克
2026-01-08 09:12:21
多地城投大降薪!

多地城投大降薪!

黯泉
2026-01-06 22:42:14
乐福:砍51+8+8的詹姆斯本该赢18总决赛G1;73胜勇士+杜兰特比骑士厉害

乐福:砍51+8+8的詹姆斯本该赢18总决赛G1;73胜勇士+杜兰特比骑士厉害

懂球帝
2026-01-07 10:35:39
张学良晚年吐真言:西安事变我只是名义上的,真正的主角是他!杨虎城后人上门,他为何闭口不谈?

张学良晚年吐真言:西安事变我只是名义上的,真正的主角是他!杨虎城后人上门,他为何闭口不谈?

历史回忆室
2025-12-16 14:26:14
美国满大街流浪汉的根源就是房产税制度,无力承担房产税就会流浪

美国满大街流浪汉的根源就是房产税制度,无力承担房产税就会流浪

诗意世界
2025-11-27 21:56:41
2026-01-08 10:35:00
机器人大讲堂 incentive-icons
机器人大讲堂
立德机器人平台,是一个集媒体品牌、智库咨询、投资孵化、引智招商为一体的机器人垂直领域服务平台
6138文章数 4570关注度
往期回顾 全部

科技要闻

雷军:现在听到营销这两个字都有点恶心

头条要闻

牛弹琴:美国又干了件石破天惊的事 俄罗斯遭沉重打击

头条要闻

牛弹琴:美国又干了件石破天惊的事 俄罗斯遭沉重打击

体育要闻

卖水果、搬砖的小伙,与哈兰德争英超金靴

娱乐要闻

《马背摇篮》首播,革命的乐观主义故事

财经要闻

农大教授科普:无需过度担忧蔬菜农残

汽车要闻

燃油驾趣+智能电感双Buff 试驾全新奥迪Q5L

态度原创

旅游
时尚
数码
游戏
健康

旅游要闻

初冬京郊:斑斓画卷徐徐展开

蓝色+灰色、红色+棕色,这4组配色怎么搭都好看!

数码要闻

格力电器市场总监朱磊炮轰创维空调海报抄袭

《GTA6》内容可能尚未完成 能否按期发售尚无定论

这些新疗法,让化疗不再那么痛苦

无障碍浏览 进入关怀版