假肢控制的未來可能是磁性的

植入磁珠實現肌肉位置無線跟蹤，更精準操控假肢

【導讀】：

我們生活在一個可穿戴感測時代，我們在世界各地的運動可以透過裝置持續監控。然而，我們缺乏可以持續監測肌肉、肌腱和骨骼運動的行動式感測器，使我們能夠監測效能，提供有針對性的康復，並提供對假肢和外骨骼的直觀、反射性控制。在這裡，MIT介紹了一種感測方式，即磁顯微法，它使用植入磁珠的相對位置來實現組織長度變化的無線跟蹤。

圖表顯示外部感測器（左）如何測量植入的磁珠（右）之間的變化距離

目前，大多數電動假肢由使用者殘肢中的電極控制。在傳統的設定中，電極要麼植入手臂/腿殘端的肌肉中，要麼粘附在面板上。無論哪種情況，當用戶嘗試執行某些動作時，電極都會繼續檢測肌肉產生的電訊號。基於這些檢測到的訊號，假肢被觸發相應地移動，允許使用者執行所需的任務。這項技術被稱為肌電圖 (EMG)。

對於有假肢的截肢者來說，最大的挑戰之一是控制假肢，使其以與自然肢體相同的方式移動。大多數假肢使用肌電圖進行控制，這是一種記錄肌肉電活動的方法，但這種方法只能對假肢進行有限的控制。

麻省理工學院媒體實驗室的研究人員現在已經開發出一種替代方法，他們認為可以更精確地控制假肢。將小磁珠插入截肢殘渣內的肌肉組織後，他們可以在肌肉收縮時精確測量肌肉的長度，並且可以在幾毫秒內將這種反饋傳遞給仿生假肢。

在今天發表在Science Robotics 上的一項新研究中，研究人員測試了他們的新策略，稱為磁顯微法 (MM)，並表明它可以提供快速準確的動物肌肉測量。他們希望在未來幾年內在截肢患者身上測試這種方法。

精確測量

"我們希望 MM 將取代肌電圖，成為將周圍神經系統與仿生肢體聯絡起來的主要方式。我們有這樣的希望，因為我們從 MM 獲得了高訊號質量，而且它是微創的、監管障礙和成本低的事實，"媒體藝術和科學教授、生物機電一體化負責人 Hugh Herr 說。媒體實驗室小組成員，該論文的資深作者。

它涉及在每個殘肢肌肉中植入兩個小磁珠，然後使用位於殘肢外部的感測器來監測每塊肌肉中兩個磁鐵之間的距離如何變化。透過這種方式，可以即時檢測每塊肌肉的拉伸或收縮程度 - 以及速度 - 從而可以非常快速地啟用假肢做出反應。

在實驗室測試中，一對 3 毫米寬的珠子被植入火雞的小腿肌肉中。當科學家們手動移動鳥類的踝關節時，外部磁感測器能夠在短短三毫秒內檢測並精確測量相關的小腿肌肉運動。

"透過磁顯微法，我們直接測量肌肉的長度和速度，"赫爾說。"透過對整個肢體的數學建模，我們可以計算出要控制的假肢關節的目標位置和速度，然後一個簡單的機器人控制器就可以控制這些關節。"

肌肉控制

在接下來的幾年內，研究人員希望對膝蓋以下截肢的人類患者進行一項小型研究。他們設想用於控制假肢的感測器可以放置在衣服上、附著在面板表面或固定在假肢的外部。

MM 還可用於透過稱為功能性電刺激的技術來改善肌肉控制，該技術現在用於幫助脊髓損傷患者恢復活動能力。這種磁性控制的另一個可能用途是引導機器人外骨骼，它可以連線到腳踝或其他關節，以幫助中風或其他型別肌肉無力的人。

"從本質上講，磁鐵和外骨骼充當人造肌肉，可以放大中風肢體中生物肌肉的輸出，"赫爾說。"這就像汽車中使用的動力轉向系統。"

MM 方法的另一個優點是微創。Herr 說，一旦插入肌肉，這些珠子就可以終生保持原位而無需更換