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

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实验。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