麻省理工团队开创“骨整合 + 神经控制”的仿生膝新时代

最近，麻省理工学院（MIT）霍格·赫尔（Hugh Herr）教授团队在 Science 杂志上发布重磅研究成果：他们开发出一种完全组织整合的仿生膝系统，可让高位截肢者恢复真实、灵活的腿部运动。不同于传统插入插座式假肢，这项系统通过骨植入钛杆连接残肢骨骼，并利用肌—神经接口直接读取残留肌肉的信号控制膝关节动作。临床数据显示，使用该系统的用户步行更快、上下楼梯更自如，且主观上感觉假肢就像身体的一部分，其“归属感”创下新高度。

01真实世界测试揭示效果优势

RESEARCH INTRODUCTION

在过去的几年里，赫尔的实验室一直在研究新的假肢，这种假肢可以从截肢后留下的肌肉中提取神经信息，并利用这些信息来帮助引导假肢。在传统的截肢手术中，轮流伸展和收缩的肌肉通常会被切断，从而破坏肌肉正常的主动肌-拮抗肌关系。这种破坏使得神经系统很难感知肌肉的位置和收缩速度。

Herr 及其同事开发了一种名为“激动剂-拮抗剂肌神经元接口”（AMI）的新手术方法，在手术过程中重新连接肌肉对，使它们在残肢内仍能进行动态通信。这种感觉反馈有助于假肢佩戴者决定如何移动肢体，并产生可用于控制假肢的电信号。在 2024 年的一项研究中，研究人员表明，接受 AMI 手术的膝下截肢患者比传统膝下截肢患者行走速度更快，并且能够更自然地绕过障碍物。

在这项新研究中，研究人员扩展了这种方法，以便更好地服务于膝盖以上截肢的患者。他们希望创建一个系统，不仅能够利用AMI读取肌肉信号，还能将其整合到骨骼中，从而提供更高的稳定性和更佳的感觉反馈。为了实现这一目标，研究人员开发了一种将钛棒插入截肢部位残留股骨的手术方法。这种植入物比传统假体具有更好的机械控制和承重能力。此外，该植入物包含16根导线，用于收集位于体内AMI肌肉上的电极信息，从而能够更准确地传导来自肌肉的信号。

02e-OPRA+AMI

RESEARCH RESULT

这种名为 e-OPRA 的骨集成系统将 AMI 信号传输到专为本研究开发的新型机器人控制器。控制器利用这些信息计算出使假肢按照用户期望的方式移动所需的扭矩。“所有部件协同工作，以便更好地将信息传入和传出身体，并更好地与设备进行机械连接，”舒说。“我们直接对骨骼施加压力，也就是身体中应该承受压力的部位，而不是使用接受腔，因为接受腔不舒服，而且容易导致频繁的皮肤感染。”

在本研究中，两名受试者接受了AMI和e-OPRA系统的组合治疗，即骨整合机械神经假体(OMP)。研究人员将这些受试者与8名接受AMI手术但未植入e-OPRA假体的患者以及7名既未接受AMI也未植入e-OPRA假体的患者进行了比较。所有受试者轮流使用由实验室研发的实验性动力膝关节假体。研究人员测量了参与者执行多种任务的能力，包括将膝盖弯曲到特定角度、爬楼梯以及跨越障碍物。在大多数任务中，使用OMP系统的参与者的表现优于接受AMI手术但未植入e-OPRA植入物的参与者，并且远优于使用传统假肢的参与者。

研究人员测量了参与者执行多种任务的能力，包括将膝盖弯曲到特定

“这篇论文实现了科学界长期以来的一个愿景——实现并演示一个完全生理整合、自主控制的机械腿，”范德堡大学机械工程教授、智能机电一体化中心主任迈克尔·戈德法布（Michael Goldfarb）说道（他并未参与这项研究）。“这是一项非常艰巨的工作，论文作者们为实现这一具有挑战性的目标所付出的努力值得称赞。”

03新时代灵敏感知接口

RESEARCH SIGNIFICANCE

除了测试步态和其他动作外，研究人员还提出了一些问题来评估参与者的实体感——也就是说，他们的假肢在多大程度上感觉像是自己身体的一部分。问题包括患者是否感觉自己拥有两条腿，是否感觉假肢是身体的一部分，以及是否感觉能够控制假肢。每个问题都旨在评估参与者的自主感、对设备的所有权以及身体表征的感受。研究人员发现，随着研究的进行，两名拥有 OMP 的参与者的自主感和所有权感比其他受试者增强得多。

“这篇论文意义重大的另一个原因是，它深入探讨了这些具身化问题，并展示了具身化感知的巨大进步，”赫尔说道。“无论你把机器人假肢的人工智能系统做得多么复杂，它对用户来说仍然只是一个工具，一个外部设备。但有了这种组织整合的方法，当你问人类用户他们的身体是什么时，整合程度越高，他们就越会说假肢实际上是他们自己的一部分。”

目前，AMI 手术是布莱根妇女医院膝下截肢患者的常规手术，赫尔预计，该手术很快也会成为膝上截肢的标准手术。组合式 OMP 系统需要进行更大规模的临床试验才能获得 FDA 的商业化批准，赫尔预计这可能需要大约五年时间。

新闻来源：MIT NEWS

论文参考：DOI:10.1126/science.adz2507