借助磁铁控制假肢

的人截肢谁有假肢，最大的挑战之一是控制假肢这样它就能像自然的肢体一样移动。大多数假肢是通过肌电图(一种记录肌肉电活动的方法)来控制的，但这种方法只能对假肢进行有限的控制。

在一项新的研究中，研究人员测试了他们的新策略，称为磁测仪(MM)，并表明它可以提供快速和准确的肌肉测量动物。他们希望在未来几年内在截肢患者身上测试这种方法。

“我们希望MM能够取代肌电描记术作为连接周围神经系统和仿生肢体的主要方式。我们的希望,因为我们从毫米高信号质量,和它的微创和监管障碍和低成本,”休·赫尔说,媒体艺术与科学学院教授,生物集团在媒体实验室,和论文的资深作者。

麻省理工学院的一个研究小组正在开发一种微创技术，利用磁珠实时跟踪组织应变。这种新技术被称为磁测仪(MM)，它可以为假肢提供自然、可靠的控制，外骨骼和刺激肌肉。MM使用移动传感阵列跟踪嵌入肌肉的磁珠，这使得每一块肌肉的细微运动都能以惊人的速度和准确性被单独跟踪。这项技术可能会极大地改善神经控制，并有可能从根本上改善人类与机器的互动方式。

卡梅隆·泰勒是麻省理工学院的博士后，是这项研究的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后Shriya Srinivasan，麻省理工学院研究生Seong Ho Yeon，布朗大学生态学和进化生物学教授Thomas Roberts，以及布朗大学博士后Mary Kate O'Donnel。

利用现有的假肢装置，人体肌肉的电测量是通过电极获得的，电极既可以附着在皮肤表面，也可以通过手术植入肌肉。后一种方法具有较高的侵入性和成本，但能提供更精确的测量。然而，在这两种情况下，肌电图(EMG)只提供了关于肌肉电活动的信息，而不是它们的长度或速度。

“当你基于肌电图进行控制时，你看到的是一个中间信号。你看到了大脑是在告诉肌肉去做什么，而不是肌肉实际在做什么，”泰勒说。

麻省理工学院的新策略是基于这样一个想法:如果传感器能够测量肌肉的活动，那么这些测量结果将为假肢提供更精确的控制。为了达到这个目的，研究人员决定在肌肉中插入一对磁铁。通过测量磁铁之间的相对运动，研究人员可以计算出肌肉收缩的程度和速度收缩．

两年前，赫尔和泰勒开发了一种算法，大大减少了传感器确定嵌入人体的小磁铁位置所需的时间。这帮助他们克服了使用MM来控制假体的一个主要障碍，即这种测量的长时间滞后。

在新的《科学机器人》论文中，研究人员测试了他们的算法跟踪插入火鸡小腿肌肉的磁铁的能力。他们使用的磁珠直径为3毫米，插入时至少相隔3厘米——如果它们比这更近，磁铁倾向于向对方移动。

通过在火鸡腿外侧放置一组磁传感器，研究人员发现，当他们移动火鸡的踝关节时，他们能够以37微米(大约一根头发的宽度)的精度确定磁铁的位置。这些测量可以在3毫秒内得到。

肌肉控制

对于假肢的控制，这些测量数据可以输入计算机模型，根据剩余肌肉的收缩，预测患者的幻肢在空间中的位置。这一策略将引导假肢装置按照患者的意愿移动，与他们脑海中肢体位置的图像相匹配。

“通过磁测仪，我们可以直接测量肌肉的长度和速度，”Herr说。“通过整个肢体的数学建模，我们可以计算出被控制的假肢关节的目标位置和速度，然后一个简单的机器人控制器就可以控制这些关节。”

在接下来的几年里，研究人员希望对膝盖以下截肢的人类患者进行一项小型研究。他们设想，用于控制假肢的传感器可以放置在衣服上，附着在皮肤表面，或者附着在假肢的外部。

MM还可以通过一种叫做功能性电刺激的技术来改善肌肉控制，这种技术现在被用于帮助脊髓损伤患者恢复活动能力。这种磁性控制的另一个可能用途是引导机器人的外骨骼，这些外骨骼可以连接到一个脚踝或另一个关节上，以帮助遭受中风或者出现了其他类型的肌肉无力。

Herr说:“本质上，磁铁和外骨骼就像人造肌肉一样，将放大中风受损肢体中生物肌肉的输出。”“这就像汽车中使用的动力转向系统。”

MM入路的另一个优点是微创。Herr说，一旦植入肌肉，珠子可以在一生中都不需要更换。