該系統(tǒng)使用微小的磁珠來(lái)快速測(cè)量肌肉的位置，并將信息傳遞給仿生假肢。

對(duì)于有義肢的截肢患者來(lái)說(shuō)，的挑戰(zhàn)之一是控制義肢，使其像正常肢體一樣移動(dòng)。大多數(shù)假肢是用肌電描記術(shù)控制的，這是一種記錄肌肉電活動(dòng)的方法，但這種方法只能提供有限的假肢控制。

麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種替代方法，他們認(rèn)為可以提供更的假肢控制。將小磁珠插入截肢殘肢的肌肉組織后，他們可以在肌肉收縮時(shí)測(cè)量肌肉的長(zhǎng)度，這個(gè)反饋可以在幾毫秒內(nèi)傳遞給仿生假肢。

在今天發(fā)表在《機(jī)器人科學(xué)》(Science Robotics)雜志上的一項(xiàng)新研究中，研究人員測(cè)試了他們的新策略，即磁微測(cè)量法(MM)，并證明它可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量動(dòng)物的肌肉。他們希望在未來(lái)幾年內(nèi)在截肢患者身上測(cè)試這種方法。

“我們希望MM將取代肌電描記術(shù)，成為連接外周神經(jīng)系統(tǒng)和仿生四肢的主要方式。我們的希望,因?yàn)槲覀儚暮撩赘咝盘?hào)質(zhì)量,和它的微創(chuàng)和監(jiān)管障礙和低成本,”休·赫爾說(shuō),媒體藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院教授,生物集團(tuán)在媒體實(shí)驗(yàn)室,和論文的作者。

麻省理工學(xué)院博士后Cameron Taylor是這項(xiàng)研究的主要作者。其他作者包括麻省理工學(xué)院博士后Shriya Srinivasan，麻省理工學(xué)院研究生sehoyeon，布朗大學(xué)生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)教授Thomas Roberts，以及布朗大學(xué)博士后Mary Kate O 'Donnell。

測(cè)量

在現(xiàn)有的假體設(shè)備中，通過(guò)電極對(duì)人的肌肉進(jìn)行電測(cè)量，電極可以連接到皮膚表面，也可以通過(guò)手術(shù)植入肌肉。后一種方法具有很高的侵入性和成本，但提供了更的測(cè)量。然而，在這兩種情況下，肌電圖(EMG)只提供了關(guān)于肌肉電活動(dòng)的信息，而不是它們的長(zhǎng)度或速度。

“當(dāng)你基于肌電圖進(jìn)行控制時(shí)，你看到的是一個(gè)中間信號(hào)。你看到的是大腦告訴肌肉做什么，而不是肌肉實(shí)際在做什么，”泰勒說(shuō)。

麻省理工學(xué)院的新策略是基于這樣一種想法:如果傳感器可以測(cè)量肌肉的活動(dòng)，這些測(cè)量將為假肢提供更的控制。為了達(dá)到這個(gè)目的，研究人員決定在肌肉中插入一對(duì)磁鐵。通過(guò)測(cè)量磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，研究人員可以計(jì)算出肌肉收縮的程度和收縮的速度。

兩年前，Herr和Taylor開(kāi)發(fā)了一種算法，大大減少了傳感器確定體內(nèi)小磁鐵位置所需的時(shí)間。這幫助他們克服了使用MM來(lái)控制假體的主要障礙之一，即這種測(cè)量的長(zhǎng)滯后時(shí)間。

在發(fā)表的《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)論文中，研究人員測(cè)試了他們的算法追蹤嵌入火雞小腿肌肉中的磁鐵的能力。他們使用的磁珠直徑為3毫米，插入時(shí)的間距至少為3厘米——如果它們比3厘米更近，磁鐵往往會(huì)向彼此移動(dòng)。

通過(guò)在火雞腿外側(cè)放置一組磁傳感器，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們移動(dòng)火雞的踝關(guān)節(jié)時(shí)，他們能夠以37微米(大約一根頭發(fā)的寬度)的精度確定磁鐵的位置。這些測(cè)量可以在三毫秒內(nèi)完成。

為了控制假肢，這些測(cè)量數(shù)據(jù)可以輸入電腦模型，根據(jù)剩余肌肉的收縮情況，預(yù)測(cè)病人的幻肢在太空中的位置。這一策略將指導(dǎo)假肢設(shè)備按照患者希望的方式移動(dòng)，與他們對(duì)肢體位置的想象相匹配。

赫爾說(shuō):“通過(guò)磁顯微法，我們可以直接測(cè)量肌肉的長(zhǎng)度和速度?！薄巴ㄟ^(guò)對(duì)整個(gè)肢體的數(shù)學(xué)建模，我們可以計(jì)算出要控制的假肢關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和速度，然后一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制器就可以控制這些關(guān)節(jié)?！?/p>

肌肉控制

在接下來(lái)的幾年里，研究人員希望對(duì)膝蓋以下截肢的人類(lèi)患者進(jìn)行一項(xiàng)小型研究。他們?cè)O(shè)想，用于控制假肢的傳感器可以放置在衣服上，貼在皮膚表面，或貼在假肢外面。

MM還可以通過(guò)一種被稱(chēng)為功能性電刺激的技術(shù)來(lái)改善肌肉控制，這種技術(shù)現(xiàn)在被用于幫助脊髓損傷患者恢復(fù)活動(dòng)能力。這種磁控制的另一個(gè)可能用途是引導(dǎo)機(jī)器人外骨骼，外骨骼可以連接在腳踝或其他關(guān)節(jié)上，幫助中風(fēng)或出現(xiàn)其他類(lèi)型肌肉無(wú)力的人。

赫爾說(shuō):“從本質(zhì)上講，磁鐵和外骨骼就像人造肌肉，可以放大中風(fēng)受損肢體的生物肌肉輸出?！薄斑@就像汽車(chē)上使用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置?！?/p>

MM入路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是微創(chuàng)。赫爾說(shuō)，這種珠子一旦植入肌肉，就可以終生固定在那里，而不需要更換。

這項(xiàng)研究由Salah基金會(huì)、麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和美國(guó)科學(xué)基金會(huì)資助。