Science正刊：麻省理工学院Hugh Herr 教授成为仿生时代领导者！

来源：高分子科学前沿

新型仿生膝盖恢复动态运动！下肢假肢的机械设计不断演进，其核心在于提升周期性运动能力。然而，这种有限的肢体修复方法阻碍了恢复构成人类运动能力剩余部分的多功能非周期性运动的必要进展。

鉴于此，麻省理工学院Hugh Herr 教授（通讯作者）与Tony Shu（第一作者兼通讯）提出了一种骨整合的机械神经假肢，其神经嵌入设计融合了改良的硬组织和软组织以及永久植入的硬件。他们开发了一种神经肌肉信号与关节运动之间的仿生耦合，其多功能性超越了现有的控制方法，这些方法依赖于传统的截肢肌肉和表面肌电图。研究结果还表明，卓越的残余神经肌肉功能可以使假肢的运动速度超越完整的生理速度。解剖假肢整合可能是达到甚至超越完整肢体运动能力的必要条件。相关研究成果以题为“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”发表在最新一期《science》上。

Tony Shu是麻省理工学院的研究生。他拥有佐治亚理工学院材料科学与工程学士学位，辅修计算机与人工智能。本科期间，Tony 的研究领域涵盖可生物降解纳米复合材料合成、高温合金增材制造以及股骨假体控制。他目前的研究利用生物力学模型，通过人体自身信号实现对外部设备的直观控制。

Hugh Herr，1964年10月出生于美国宾夕法尼亚州的兰卡斯特，家里有5个孩子，他是最小的一个，自学习攀岩开始，就展现出了异于常人的天赋。7岁开始攀岩，8岁就成功登顶了加拿大班夫国家公园3544米的落基山脉，17岁被认为是美国最好的攀岩运动员之一。年轻时，他在一次攀岩旅行中遭遇突如其来的暴风雪，导致双腿膝盖以下截肢。

在研制假肢的过程中，一向对学习毫不在乎的赫尔迷上了物理学，因为这是设计假肢的基础。他开始查阅大量的资料，甚至阅读之前绝不会涉及的学术类论文。他尝试了各种材料，橡胶，纤维玻璃、木头……赫尔一次次研究改进自己的假肢。从最开始的基础改进，到慢慢从生物学、机械工程、人体力学的角度开始设计。他去米勒斯维尔大学攻读了物理学本科学位，然后在麻省理工学院(MIT)攻读机械工程硕士学位，随后又在哈佛大学攻读生物物理学博士学位，之后重返MIT继续研究，领导生物机电一体化研究小组，并共同领导 K. Lisa Yang 仿生中心。Herr 拥有多项专利，包括计算机控制的人工膝关节、市场上可买到的主动踝足矫形器 Rheo Knee，以及世界上第一款动力踝足假肢。

30年来，他在康复科学领域发表了120多篇论文，拥有100多项专利，他的设计多次被《时代》杂志评为年度发明，并被称为“仿生时代领导者”。

设计

作者首先勾勒出OMP的三层架构（图1）：来自中枢神经的运动意图经肌肉电信号传至控制算法，实时计算并驱动动力膝关节输出扭矩；同时，骨整合植体的中央通道为电缆与能量供应提供保护，消除了传统假体套筒对皮肤-电极界面的干扰。示意图和术后影像展示了从第一次植入骨内固定件，到二期将电极线缆引出并连接外置膝关节的时间线，使读者直观了解“机-骨-肉”纵向贯通的全过程。

图 1. 通过垂直整合的仿生截肢平台促进信息和能量交换

作者聚焦于软组织层面的“肌-肌”耦合。通过将残余股直肌与股二头肌重建为拮抗对，作者记录到在幻肢膝关节主动屈伸时，伸肌收缩会同步拉伸屈肌，从而显著增强来自肌梭的本体感觉信号。量化分析显示，拥有拮抗结构的受试者，其模拟二型肌梭放电率远高于传统残肢，证明这种组织工程手段能为大脑提供更清晰的关节位置反馈，奠定精细控制基础。

图 2. 激动剂-拮抗剂结构增强了与幻肢膝运动相关的本体感受反馈

性能

图 3进一步证明软硬件协同对控制精度的提升。在无视觉反馈的自由-空间定位任务中，骨整合+肌内电极组能在低-中等伸展角度间输出更可区分的肌电信息；当加入视觉反馈驱动真实机械膝关节时，他们在目标角度追踪误差上依旧明显优于表面电极对照组。节奏加速试验则显示，拮抗-肌内电极构型可使假膝循环频率超过健侧生理极限，揭示“削弱惯性+增强感觉”带来的超生理潜能。

图 3. 通过软组织和硬组织增强，最大限度地实现假肢膝关节的控制

步行实验表明，直驱膝关节能补偿假体惯性，实现与健侧接近的摆动动力学，且两名受试者术后使用动力膝的最高行走速度达到或超过术前被动膝水平。在坐-立转换中，他们无需扶手即可完成动作，并在地面反作用力分布上呈现更佳的双侧对称性，说明新平台不仅恢复力量输出，也改善了整体姿态控制。

图 4. OMP 促进人类的基本运动

多模态任务

作者将评估场景拓展至多样化、高动态的任务（图5）。静态障碍穿越中，骨整合组几乎零失误，而传统套筒用户因冲击伪影导致肌电失真、膝关节误动作频发。楼梯测试显示，即便受限于70 N·m的植体安全扭矩，受试者仍能用“步-步”模式升级为“跨-步”上下楼；在跑步机高速行走并随机躲避泡沫方块时，骨整合组能持续、快速屈膝，而被动膝用户不得不通过髋关节外摆迂回，凸显解剖融合对真实场景灵活性的贡献。

图 5. 关节运动的物理实现产生了多种行为

作者进一步从主观维度量化了“化身感”（图6）。在每轮实验后填写的问卷显示，骨整合组在“所有权”和“能动性”两项上显著高于传统组，并在楼梯任务后整体化身感提升最为明显。研究者指出，高保真信号、骨性力传递以及幻肢-机械动作的实时映射，共同塑造了这种“假肢即自体”体验，为未来评估截肢手术设计和假肢选型提供了新的自我感知指标。

图 6. OMP 在具体化和仿生性能方面取得了巨大的进步

总结

作者提出并验证了一种“骨整合-机神融合假肢平台”（Osseointegrated Mechanoneural Prosthesis, OMP）。该平台在股骨内植入钛合金骨整合植体，重建股二头肌与股直肌的拮抗-协同结构，并在肌肉内长期埋置电极，实现三层功能：①直接、连续地由肌电驱动仿生膝关节的屈伸；②通过骨整合植体建立稳固的信息与能量双向通路；③恢复接近生理水平的本体感觉。两名既有大腿截肢者经改造后，在障碍规避、步态速度与自我归属感等多项指标上均显著优于对照组，显示高度解剖融合可带来超越健侧的运动潜力，并提升假肢“身体现感”。

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