來源：高分子科學(xué)前沿

新型仿生膝蓋恢復(fù)動態(tài)運動！下肢假肢的機械設(shè)計不斷演進，其核心在于提升周期性運動能力。然而，這種有限的肢體修復(fù)方法阻礙了恢復(fù)構(gòu)成人類運動能力剩余部分的多功能非周期性運動的必要進展。

鑒于此，麻省理工學(xué)院Hugh Herr 教授（通訊作者）與Tony Shu（第一作者兼通訊）提出了一種骨整合的機械神經(jīng)假肢，其神經(jīng)嵌入設(shè)計融合了改良的硬組織和軟組織以及永久植入的硬件。他們開發(fā)了一種神經(jīng)肌肉信號與關(guān)節(jié)運動之間的仿生耦合，其多功能性超越了現(xiàn)有的控制方法，這些方法依賴于傳統(tǒng)的截肢肌肉和表面肌電圖。研究結(jié)果還表明，卓越的殘余神經(jīng)肌肉功能可以使假肢的運動速度超越完整的生理速度。解剖假肢整合可能是達到甚至超越完整肢體運動能力的必要條件。相關(guān)研究成果以題為“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”發(fā)表在最新一期《science》上。

Tony Shu是麻省理工學(xué)院的研究生。他擁有佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位，輔修計算機與人工智能。本科期間，Tony 的研究領(lǐng)域涵蓋可生物降解納米復(fù)合材料合成、高溫合金增材制造以及股骨假體控制。他目前的研究利用生物力學(xué)模型，通過人體自身信號實現(xiàn)對外部設(shè)備的直觀控制。

Hugh Herr，1964年10月出生于美國賓夕法尼亞州的蘭卡斯特，家里有5個孩子，他是最小的一個，自學(xué)習(xí)攀巖開始，就展現(xiàn)出了異于常人的天賦。7歲開始攀巖，8歲就成功登頂了加拿大班夫國家公園3544米的落基山脈，17歲被認為是美國最好的攀巖運動員之一。年輕時，他在一次攀巖旅行中遭遇突如其來的暴風(fēng)雪，導(dǎo)致雙腿膝蓋以下截肢。

在研制假肢的過程中，一向?qū)W(xué)習(xí)毫不在乎的赫爾迷上了物理學(xué)，因為這是設(shè)計假肢的基礎(chǔ)。他開始查閱大量的資料，甚至閱讀之前絕不會涉及的學(xué)術(shù)類論文。他嘗試了各種材料，橡膠，纖維玻璃、木頭……赫爾一次次研究改進自己的假肢。從最開始的基礎(chǔ)改進，到慢慢從生物學(xué)、機械工程、人體力學(xué)的角度開始設(shè)計。他去米勒斯維爾大學(xué)攻讀了物理學(xué)本科學(xué)位，然后在麻省理工學(xué)院(MIT)攻讀機械工程碩士學(xué)位，隨后又在哈佛大學(xué)攻讀生物物理學(xué)博士學(xué)位，之后重返MIT繼續(xù)研究，領(lǐng)導(dǎo)生物機電一體化研究小組，并共同領(lǐng)導(dǎo) K. Lisa Yang 仿生中心。Herr 擁有多項專利，包括計算機控制的人工膝關(guān)節(jié)、市場上可買到的主動踝足矯形器 Rheo Knee，以及世界上第一款動力踝足假肢。

30年來，他在康復(fù)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表了120多篇論文，擁有100多項專利，他的設(shè)計多次被《時代》雜志評為年度發(fā)明，并被稱為“仿生時代領(lǐng)導(dǎo)者”。

設(shè)計

作者首先勾勒出OMP的三層架構(gòu)（圖1）：來自中樞神經(jīng)的運動意圖經(jīng)肌肉電信號傳至控制算法，實時計算并驅(qū)動動力膝關(guān)節(jié)輸出扭矩；同時，骨整合植體的中央通道為電纜與能量供應(yīng)提供保護，消除了傳統(tǒng)假體套筒對皮膚-電極界面的干擾。示意圖和術(shù)后影像展示了從第一次植入骨內(nèi)固定件，到二期將電極線纜引出并連接外置膝關(guān)節(jié)的時間線，使讀者直觀了解“機-骨-肉”縱向貫通的全過程。

圖 1. 通過垂直整合的仿生截肢平臺促進信息和能量交換

作者聚焦于軟組織層面的“肌-肌”耦合。通過將殘余股直肌與股二頭肌重建為拮抗對，作者記錄到在幻肢膝關(guān)節(jié)主動屈伸時，伸肌收縮會同步拉伸屈肌，從而顯著增強來自肌梭的本體感覺信號。量化分析顯示，擁有拮抗結(jié)構(gòu)的受試者，其模擬二型肌梭放電率遠高于傳統(tǒng)殘肢，證明這種組織工程手段能為大腦提供更清晰的關(guān)節(jié)位置反饋，奠定精細控制基礎(chǔ)。

圖 2. 激動劑-拮抗劑結(jié)構(gòu)增強了與幻肢膝運動相關(guān)的本體感受反饋

性能

圖 3進一步證明軟硬件協(xié)同對控制精度的提升。在無視覺反饋的自由-空間定位任務(wù)中，骨整合+肌內(nèi)電極組能在低-中等伸展角度間輸出更可區(qū)分的肌電信息；當(dāng)加入視覺反饋驅(qū)動真實機械膝關(guān)節(jié)時，他們在目標(biāo)角度追蹤誤差上依舊明顯優(yōu)于表面電極對照組。節(jié)奏加速試驗則顯示，拮抗-肌內(nèi)電極構(gòu)型可使假膝循環(huán)頻率超過健側(cè)生理極限，揭示“削弱慣性+增強感覺”帶來的超生理潛能。

圖 3. 通過軟組織和硬組織增強，最大限度地實現(xiàn)假肢膝關(guān)節(jié)的控制

步行實驗表明，直驅(qū)膝關(guān)節(jié)能補償假體慣性，實現(xiàn)與健側(cè)接近的擺動動力學(xué)，且兩名受試者術(shù)后使用動力膝的最高行走速度達到或超過術(shù)前被動膝水平。在坐-立轉(zhuǎn)換中，他們無需扶手即可完成動作，并在地面反作用力分布上呈現(xiàn)更佳的雙側(cè)對稱性，說明新平臺不僅恢復(fù)力量輸出，也改善了整體姿態(tài)控制。

圖 4. OMP 促進人類的基本運動

多模態(tài)任務(wù)

作者將評估場景拓展至多樣化、高動態(tài)的任務(wù)（圖5）。靜態(tài)障礙穿越中，骨整合組幾乎零失誤，而傳統(tǒng)套筒用戶因沖擊偽影導(dǎo)致肌電失真、膝關(guān)節(jié)誤動作頻發(fā)。樓梯測試顯示，即便受限于70 N·m的植體安全扭矩，受試者仍能用“步-步”模式升級為“跨-步”上下樓；在跑步機高速行走并隨機躲避泡沫方塊時，骨整合組能持續(xù)、快速屈膝，而被動膝用戶不得不通過髖關(guān)節(jié)外擺迂回，凸顯解剖融合對真實場景靈活性的貢獻。

圖 5. 關(guān)節(jié)運動的物理實現(xiàn)產(chǎn)生了多種行為

作者進一步從主觀維度量化了“化身感”（圖6）。在每輪實驗后填寫的問卷顯示，骨整合組在“所有權(quán)”和“能動性”兩項上顯著高于傳統(tǒng)組，并在樓梯任務(wù)后整體化身感提升最為明顯。研究者指出，高保真信號、骨性力傳遞以及幻肢-機械動作的實時映射，共同塑造了這種“假肢即自體”體驗，為未來評估截肢手術(shù)設(shè)計和假肢選型提供了新的自我感知指標(biāo)。

圖 6. OMP 在具體化和仿生性能方面取得了巨大的進步

總結(jié)

作者提出并驗證了一種“骨整合-機神融合假肢平臺”（Osseointegrated Mechanoneural Prosthesis, OMP）。該平臺在股骨內(nèi)植入鈦合金骨整合植體，重建股二頭肌與股直肌的拮抗-協(xié)同結(jié)構(gòu)，并在肌肉內(nèi)長期埋置電極，實現(xiàn)三層功能：①直接、連續(xù)地由肌電驅(qū)動仿生膝關(guān)節(jié)的屈伸；②通過骨整合植體建立穩(wěn)固的信息與能量雙向通路；③恢復(fù)接近生理水平的本體感覺。兩名既有大腿截肢者經(jīng)改造后，在障礙規(guī)避、步態(tài)速度與自我歸屬感等多項指標(biāo)上均顯著優(yōu)于對照組，顯示高度解剖融合可帶來超越健側(cè)的運動潛力，并提升假肢“身體現(xiàn)感”。

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