磁微測量法工作原理示意圖 圖片來源：《科學(xué)—機(jī)器人》
記者 秦志偉
在近期出版的《科學(xué)—機(jī)器人》上，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的一個研究團(tuán)隊發(fā)表文章稱，他們開發(fā)出一種控制假肢的新方法，名為磁微測量法（Magnetomicrometry）。該方法是把小磁珠植入截肢殘肢的肌肉組織，通過小磁珠在肌肉收縮時測量肌肉的運動量，幾毫秒內(nèi)就能把相關(guān)信息傳遞給假肢，有可能比此前廣泛使用的利用肌電信號控制假肢的方法更加精確。而這篇文章的標(biāo)題就是Magnetomicrometry。
值得一提的是，該項目負(fù)責(zé)人、MIT媒體實驗室教授、該校生物機(jī)電一體化研究小組主任休·赫爾本人就安裝有假肢。因為他在 17 歲時的一次攀巖中，因遭遇凍傷下肢被迫截肢。
這些年，休·赫爾帶領(lǐng)團(tuán)隊通過技術(shù)創(chuàng)新，不斷制造出佩戴更舒適的假肢。第一個受益人當(dāng)然是他自己。對比當(dāng)初被截肢后躺在床上的落寞，如今他不僅重新找回攀巖的樂趣，也幫助了更多像他一樣的患者。
或可取代肌電信號
對于截肢患者而言，最大的挑戰(zhàn)就是控制假肢像正常肢體一樣運動。這一點也是科學(xué)家不斷努力的方向。
此前，截肢患者控制假肢是基于肌電信號，即將電極連接在皮膚表面或植入肌肉以獲取肌肉電信號。通過肌電信號控制假肢的原理，首先是讀取患者殘肢附近殘留肌肉的肌電信號，然后解碼該信號獲取患者的運動意向，再傳遞給假肢去執(zhí)行。經(jīng)過一定時間的適應(yīng)性訓(xùn)練，患者就能夠借助假肢恢復(fù)生活必需的簡單活動。
然而，對于截肢患者來說，想要完全恢復(fù)正常運動并不容易。目前的假肢控制方式要么控制范圍有限，要么手術(shù)及植入費用昂貴。為了讓更多同他一樣的截肢患者回歸正常生活，休·赫爾幾經(jīng)嘗試，終于從磁鐵上獲得靈感。
在實驗過程中，研究人員將直徑為3毫米的小磁珠成對植入火雞的腿部肌肉，每對磁珠之間的距離為3厘米。這樣的距離將確保磁珠不會被互相吸引而改變位置。磁珠植入后，研究人員對其進(jìn)行了測試。他們將一系列磁性傳感器放到火雞腿部外側(cè)，發(fā)現(xiàn)傳感器感知磁珠位置變化的精度可以達(dá)到37微米。并且，他們移動火雞的踝關(guān)節(jié)時，可以在3毫秒內(nèi)得到測量結(jié)果。
據(jù)休·赫爾介紹，當(dāng)假肢應(yīng)用到人類身上時，這些測量結(jié)果會被輸入到計算機(jī)模型中。該模型根據(jù)截肢者剩余肌肉的收縮情況來預(yù)測佩戴者希望進(jìn)行的動作。這種策略引導(dǎo)假肢按照截肢者希望的方式來移動，努力實現(xiàn)與他們想象中的肢體位置相匹配。
而且，該新方法的優(yōu)點之一是只需要微創(chuàng)，即借助一個很小的傷口就可以將小磁珠植入到肌肉里，而小磁珠可終生保持原位且無需更換。
電子科技大學(xué)四川省腦科學(xué)與類腦智能研究院院長堯德中在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，此前通過解碼肌肉運動相關(guān)的電信號，先判斷人要干什么，再去控制假肢。而磁微測量法則是通過外界安裝磁珠，再測量肌肉相關(guān)運動引起的磁場變化的方式，去確定人要干什么，兩者有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，“這兩種研究是并行的，不存在替代問題”。堯德中表示。
未來應(yīng)用廣泛
研究人員稱，接下來的研究將圍繞膝蓋以下截肢的患者開展，另外他們還設(shè)想將用于控制假肢的傳感器固定在衣服、皮膚表面或假肢的外部。
而除了幫助截肢患者外，磁微測量法甚至對于脊柱損傷的患者同樣適用。因為其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，該技術(shù)目前被用于幫助脊髓損傷患者恢復(fù)活動能力。
此外，磁微測量法還有個潛在用途——引導(dǎo)機(jī)器人外骨骼，讓它連接到腳踝或其他關(guān)節(jié)上，以幫助中風(fēng)患者或肌肉無力人群進(jìn)行運動。
在休·赫爾看來，磁珠和外骨骼就像人工肌肉，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”。
堯德中認(rèn)為，通過磁微測量法監(jiān)測肌肉運動的研究為控制假肢與外骨骼等提供了新的思路，但若是植入磁珠者所在環(huán)境存在足以影響磁珠磁力的外磁場，則可能會影響其行動，甚至帶來危險。
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