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

對于有義肢的截肢患者來說，的挑戰(zhàn)之一是控制義肢，使其像正常肢體一樣移動。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測量肌肉的長度，這個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，研究人員測試了他們的新策略，即磁微測量法(MM)，并證明它可以快速、準(zhǔn)確地測量動物的肌肉。他們希望在未來幾年內(nèi)在截肢患者身上測試這種方法。

“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)槲覀儚暮撩赘咝盘栙|(zhì)量,和它的微創(chuàng)和監(jiān)管障礙和低成本,”休·赫爾說,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。

測量

在現(xiàn)有的假體設(shè)備中，通過電極對人的肌肉進(jìn)行電測量，電極可以連接到皮膚表面，也可以通過手術(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)于肌肉電活動的信息，而不是它們的長度或速度。

“當(dāng)你基于肌電圖進(jìn)行控制時，你看到的是一個中間信號。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。

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

兩年前，Herr和Taylor開發(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間。這幫助他們克服了使用MM來控制假體的主要障礙之一，即這種測量的長滯后時間。

在發(fā)表的《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)論文中，研究人員測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，插入時的間距至少為3厘米——如果它們比3厘米更近，磁鐵往往會向彼此移動。

通過在火雞腿外側(cè)放置一組磁傳感器，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們移動火雞的踝關(guān)節(jié)時，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。這些測量可以在三毫秒內(nèi)完成。

為了控制假肢，這些測量數(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，與他們對肢體位置的想象相匹配。

赫爾說:“通過磁顯微法，我們可以直接測量肌肉的長度和速度。”“通過對整個肢體的數(shù)學(xué)建模，我們可以計算出要控制的假肢關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和速度，然后一個簡單的機(jī)器人控制器就可以控制這些關(guān)節(jié)。”

肌肉控制

在接下來的幾年里，研究人員希望對膝蓋以下截肢的人類患者進(jìn)行一項(xiàng)小型研究。他們設(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還可以通過一種被稱為功能性電刺激的技術(shù)來改善肌肉控制，這種技術(shù)現(xiàn)在被用于幫助脊髓損傷患者恢復(fù)活動能力。這種磁控制的另一個可能用途是引導(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)其他類型肌肉無力的人。

赫爾說:“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。”“這就像汽車上使用的動力轉(zhuǎn)向裝置。”

MM入路的另一個優(yōu)點(diǎn)是微創(chuàng)。赫爾說，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、麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟、美國國立衛(wèi)生研究院和美國科學(xué)基金會資助。