MIT仿生假肢宗师开发新型仿生膝关节，可精准屈膝、上下楼梯

近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员宣布开发出一种新型仿生膝关节，可帮助膝上截肢者走得更快、爬楼梯更省力、躲避障碍物也更轻松，性能优于传统假肢。

与传统假肢将残肢插入接受腔不同，这套新系统直接与使用者的肌肉和骨组织整合。这样不仅提高了稳定性，还让用户对假肢动作拥有更强的控制能力。

在一项小规模临床研究中，参与者普遍感觉这条“腿”更像自己身体的一部分，而传统膝上截肢者难以获得这种“身体归属感”。

相关文章以题为“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”发表在Science期刊。麻省理工学院 Hugh Herr 教授为通讯作者，他在一次攀岩旅行中遭遇暴风雪，导致双腿膝盖以下截肢，博士生 Tony Shu 为第一作者兼通讯。

更精准的控制

过去几年，Herr 实验室一直在开发新型假肢，能从截肢后残留的肌群中提取神经信号，并用这些信号来指引假肢运动。

传统截肢手术通常会切断成对的拮抗肌，使它们无法交替收缩与拉伸，破坏了肌肉之间天然的“拮抗—协同”关系。这种破坏让神经系统难以感知肌肉的位置和收缩速度。

Herr 团队开发了一种名为拮抗肌-神经接口（AMI） 的新术式：术中把原本成对的肌肉重新连接，使它们在残肢内仍能相互动态通信。这种本体感觉反馈帮助佩戴者决定如何移动假肢，同时产生可用来控制假肢的电信号。

2024 年的一项研究显示，接受 AMI 手术的小腿截肢者行走速度更快、避障动作更自然，明显优于传统小腿截肢者。

在新研究中，团队将 AMI 技术扩展到膝上截肢人群。他们希望系统不仅能通过 AMI 读取肌肉信号，还能直接与骨骼整合，带来更高稳定性和更精准的感觉反馈。

为此，研究人员设计了一种手术：在截肢端残留的股骨内植入钛合金柄（e-OPRA）。该植入物比传统接受腔提供更优的机械控制与负重能力，同时内置 16 根导线，采集体内 AMI 肌肉上的电极信号，实现更高保真的肌电转导。

这套骨整合系统把 AMI 信号实时传输给专为本次研究开发的机器人控制器，后者据此计算用户期望的膝关节力矩，驱动假肢完成动作。

“所有部件协同工作，使信息进出身体更顺畅，与设备机械接口更自然。”Shu 说，“我们把负荷直接交给本应受力的骨骼，而不是挤压软组织，既不适又易感染。”

实验中，两位受试者接受了 AMI+e-OPRA 联合系统，即“骨整合肌-神经假肢”（OMP）。研究团队将他们与仅做 AMI 手术的 8 人以及既无 AMI 也无 e-OPRA 的 7 人进行对比，所有受试者均试用了实验室开发的实验型动力膝假肢。

测试任务包括：精准屈膝至指定角度、上下楼梯、跨越障碍。结果显示，在大多数任务中，OMP 用户表现优于仅做 AMI 的受试者，更远超传统假肢用户。

范德堡大学机械工程教授、智能机电中心主任 Michael Goldfarb（未参与研究）评价道：“这篇论文实现了科学界长期以来的愿景——一条完全生理整合、可由意志控制的机器人腿。这项工作极其困难，作者们值得高度赞誉。”

身体归属感

除了评估步态与其他动作，研究团队还设计了一系列问卷，专门衡量受试者对假肢的“身体归属感”——即他们把这条机械腿视为自身一部分的程度。

问卷问题包括：是否感觉自己仍有两条腿？是否认为假肢是身体的一部分？是否觉得自己能掌控假肢？每个问题都旨在评估受试者的“能动性”“设备归属”以及“身体表征”。

结果显示，随着实验推进，两名接受 OMP 系统的受试者在能动性和归属感的提升幅度上，远高于其他组。

Herr 指出：“这篇论文的另一大意义在于，它深入探讨了身体归属问题，并显示这种整合方式显著增强了归属感。无论机器人假肢的 AI 系统多先进，如果只是外部工具，用户始终觉得它是‘外物’。而采用组织整合方法后，当你问使用者‘什么是你的身体’时，整合程度越高，他们越会说‘假肢就是我的一部分’。”

目前，AMI 手术已在 Brigham and Women’s Hospital 常规应用于小腿截肢患者，Herr 预计很快也会成为大腿截肢的标准术式。而 OMP 复合系统仍需更大规模临床试验以获得 FDA 批准，这一过程预计需五年左右。

1.https://news.mit.edu/2025/bionic-knee-integrated-into-tissue-can-restore-natural-movement-0710