不僅能恢復行走能力，還能感受到空間位置。
這是史上第一次，膝蓋以下截肢的患者有機會能透過神經訊號控制機械腿的運動，並以自然步態恢復行走了。
該研究出自麻省理工學院（MIT）。想做到這一點的患者需要進行專門的手術，並將非侵入性表面電極連線到機器人假肢小腿上。相關論文已發表於昨日出版的 Nature 子刊《自然醫學》。
論文標題：Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9
人類的大多數肢體運動由輪流伸展和收縮的成對肌肉控制。在傳統的膝下截肢過程中，這些成對肌肉的相互作用被打亂。這使得神經系統很難感知肌肉的位置和收縮速度 —— 而這些感覺資訊對於大腦決定如何移動肢體至關重要。
遭遇過這種截肢的人可能會難以控制他們的假肢，因為他們無法準確感知肢體在空間中的位置。現在，他們可以依靠內建在假肢中的機器人控制器來實現感知了，這些機械腿還包括可以檢測和應對斜坡和障礙物的感測器。
「接下來發生的事情相當神奇。擁有這種神經介面的患者能夠以正常速度行走，上下臺階和斜坡，並且無需思考就能繞過障礙物，這是自然的、下意識的行為，」MIT Media Lab 教授、論文合著者 Hugh Herr 說道。「即使他們的小腿是由鈦和矽膠製成的 —— 所有這些機電元件 —— 仿生肢體的感覺很自然，運動也很自然，雖然沒有意識。」
該方法依賴於截肢部位的手術，以建立研究人員所稱的興奮劑 - 拮抗劑肌神經介面（AMI）。接下來的程式涉及連線肌肉對（對於膝下截肢，則為兩對）以及引入專有的合成元件。
新型機械腿的「人機介面」在身體和機器之間建立了雙向連線。肌肉感應電極將訊號傳送到假肢內建的一臺小型計算機，晶片將其解釋為踝關節和腳掌關節的角度和力量。它還會發回有關假肢位置的資訊，恢復肢體在空間中的位置感，也稱為本體感覺（proprioception）。
在該工作中，為了測試仿生腿，研究者要求患者以不同的速度在平地上行走、上下斜坡和樓梯，並繞過障礙物。
相比以往的機械腿，AMI 使用者的步態更加自然，更接近自然人類肢體的運動。在一些複雜的地形上，更自然的動作可以提高運動自由度，此外在其他研究中，研究人員還注意到能量消耗減少、身體壓力減少等優勢，新型機械腿甚至為一些截肢者帶來了額外好處。
論文合著者、MIT 博士後研究員 Hyungeun Song 表示，研究團隊對仿生裝置的效率感到驚訝。假肢介面僅傳送了肢體向脊柱傳送的典型資訊量的 18%，但這就足以讓患者以正常步態行走了。
這裡的主要發現之一是，截肢肢體的神經反饋只需稍有增加，就可以獲得明顯的仿生神經可控性，達到允許人們直接神經控制行走速度、適應不同地形和避開障礙物的程度。
仿生腿的下一步
AMI 截肢現在已成為馬薩諸塞州 Brigham 婦女醫院的標準，論文的合著者 Matthew Carty 就職於該醫院。由於患者對於機械或非機械假肢的需求，這種技術（或類似技術）可能會遠遠超出目前的研究範圍。迄今為止，全球約有 60 人接受了肘部或膝蓋上方或下方的 AMI 手術。
Herr 表示，原則上，像他這樣曾經截肢的人可以接受 AMI 康復治療，他正在認真考慮這一手術。根據截肢者聯盟的資料，目前有 200 多萬美國人失去了肢體，美國每年有近 20 萬條小腿被截肢。
該論文的作者之一，MIT 教授 Hugh Herr。
在機器人技術方面，已經有可以與神經介面相容的商用腿部假肢出現了。最需要開發的領域是截肢部位和假肢之間的連線。Herr 表示，該介面的商業化可能還需要五年左右的時間。
Herr 表示，他們的長期目標是神經整合和具體化：讓機械腿成為身體的一部分，而不是工具。這項新研究「是向前邁出的關鍵一步」。
參考內容：
https://spectrum.ieee.org/prosthetic-leg
https://www.media.mit.edu/articles/a-prosthesis-driven-by-the-nervous-system-helps-people-with-amputation-walk-naturally/
https://www.media.mit.edu/projects/agonist-antagonist-myoneural-interface-ami/overview/