MIT 仿生腿專家休·赫爾（Hugh Herr）在 17 歲時的一次攀巖中，因遭遇凍傷下肢被迫截肢。但他認為只有技術才會有殘缺，人類身體永遠不會“殘缺”。

一開始他使用金屬材料來為自己製作假肢，但造出來的假肢的長度不是太長、就是太短。後來，他製造的假肢愈發成熟，最終再次實現攀巖。

就這樣，靠著金屬和木頭，他再次實現攀巖夢想。

即使失去雙腿，學業卻絲毫沒有落下，他曾開玩笑說，截肢前考試成績經常得 D 或 F，截肢後頭腦好像更聰明瞭。日後，其本科畢業於賓夕法尼亞米勒斯維爾大學物理學專業，並在 MIT 獲得機械工程碩士學位，隨後拿到哈佛大學生物物理學博士學位。

目前他是 MIT 媒體實驗室的教授，也是該校生物機電一體化研究小組的主任。截至 2014 年，他在 TED 的演講影片至今已有 1200 多萬播放量。

成為科學家之後的休·赫爾，不再滿足於製作簡單的假肢，而是決心透過技術製造出讓殘疾人佩戴更舒適的假肢。

第一個受益人當然是他自己，對比當初被截肢後躺在床上的落寞，如今他不僅拯救了自己，也幫助了更多像他一樣的患者。

他和團隊曾花費兩百天，為一位在 2013 年波士頓馬拉松恐襲事件失去左下肢的舞蹈演員阿德里安娜.阿斯萊特-戴維斯（Adrianne Haslet-Davis）定製假肢，並讓對方得以重返舞臺。在休·赫爾的 TED 演講末尾，阿德里安娜戴上仿生腿跳了一支舞，全場觀眾全體起立鼓掌。

此外，他還讓一位在阿富汗戰場中失去雙腿的美國士兵，透過仿生腿可以重新奔跑。

數月之前，休·赫爾的助理告訴 DeepTech，57 歲的休·赫爾又要當父親了。如今，僅隔數月之後，已發表一百多篇論文的他，再次公佈其最新研究成果。

對於截肢患者而言，最大的挑戰就是控制假肢，讓假肢能像正常肢體一樣運動。多數假肢採用肌電描記法（electromyography）來進行相應控制 ，這是一種記錄肌肉電活動的方法，但該方法只能提供有限的控制能力。

而此次休·赫爾團隊開發出一種名叫磁微測量法（MM，Magnetomicrometry）的新方法，其表示這能為假肢的運動提供更精確的控制。

具體來說，這種磁微測量法（MM，Magnetomicrometry）的原理是把小磁珠植入截肢殘肢的肌肉組織，即可在肌肉收縮時精確測量肌肉的長度，幾毫秒內就能把相關反饋傳遞給仿生假肢。8 月 18 日，相關論文以《磁顯微法》（Magnetomicrometry）為題發表在 Science Robotics 上。

休·赫爾希望磁顯微法能取代傳統的肌電描記法，併成為連線外周神經系統和仿生四肢的主要控制方式。得出這樣的分析，是因為他認為磁顯微法具備毫米級的高訊號控制質量，實現成本也很低，很有商業價值。

磁顯微法的另一個優點是磁珠一旦植入肌肉，就能永久性穩定工作於肌肉當中，不需要更換。

加拿大安大略省金斯敦皇后大學機械與材料工程學院李慶國教授，和休·赫爾相識多年，兩人經常會在領域會議上見面，他告訴 DeepTech 該研究旨在解決感測問題，外骨骼和假肢控制的重點在於識別使用者的運動意圖，因此也需要一個“大腦”來傳遞訊號，但是傳統外骨骼和假肢沒有高層次“大腦”來進行指揮和控制，它們和人體也是分離的，所以透過新的感測方法將其和人結合，是該項研究未來可以考慮發展的終點。

神經元控制肌肉的原理是，大腦給予肌肉訊號，這時肌肉就會收縮，併產生一般的運動。健全人的腿部要運動時，大腦只要發出意識，肌肉就會啟動收縮，腿部就會跟著運動。

休·赫爾希望這種訊號能透過大腦傳遞到肌肉，但如果用外貼式的肌電感測器來進行測量，測量神經傳導會很困難。不同以往，此次該團隊是想直接測量肌肉的運動特性，透過植入小磁球，就能直接測量肌肉的運動特性，這樣就無需再用外貼式肌電感測器來測量。

已在火雞小腿上進行實驗

當前的假肢是透過電極來對人體肌肉進行電測量，其中有兩種方法，第一種是把電極連線到面板表面，第二種是透過手術植入肌肉。方法二的優點在於不僅成本高，同時還得植入人體，但它能提供更精確的測量。

這兩種方法的共同缺點在於，肌電圖只能提供肌肉活動資訊，而無法提供肌肉的長度或速度資料。

舉例來說，當假肢使用者基於肌電圖進行控制時，只能看到一箇中間訊號，即只能看到大腦發給肌肉的指令，而無法看到肌肉的實際執行情況。

針對此他決定在肌肉中植入一對磁球，透過測量磁球的相對運動，就能算出肌肉收縮的程度和速度。

該想法始於他在兩年前開發的一種演算法，這種演算法可大大減少感測器確定體內小磁球位置所需的時間。在該項研究中，該演算法也幫助他克服了磁顯微法控制假肢時的主要障礙，讓測量結果得以實時接收。

實驗中，休·赫爾還把磁球植入火雞小腿肌肉中，以測試該演算法的追蹤能力。為了避免磁球植入肌肉組織後發生運動，他們將磁珠直徑設為 3 毫米，植入時至少間隔 3 釐米。

圖 | 把磁球植入火雞小腿肌肉中（來源：Science Robotics）

當移動火雞的踝關節時，他們能以大約一根頭髮的寬度（約 37 微米）的精度來確定磁球的位置，相關資料的測量可在三毫秒內完成。

這些測量資料可被輸入電腦主機當中以建立對應模型，根據其餘肌肉的收縮情況，使用者就能讓假肢按照預期方式進行移動。磁顯微法還可直接測量肌肉長度和肌肉速度。透過對整個肢體進行數學建模，即可計算出要控制的假肢關節的目標位置和速度

圖 | 單個磁球的組織學研究（來源：Science Robotics）

李慶國分析稱，電動的假肢很難識別使用者意圖，它一般使用外部訊號來控制，比如位置感測器和肌電訊號等。但這些訊號都是外部訊號，發生運動以後才能測到這些資料，測量之後仍需大量肌電處理。當運動狀態發生改變時，肌電訊號也會改變，這可以說這二者存在著耦合，因此在控制上的可靠性很低。

休·赫爾團隊一直想讓神經接到感測器上，而此次工作的優點在於，使用了表面感測器，並透過安裝一塊磁球來測量肌肉長度和運動變化，該方法不僅不會給患者帶來創傷，而且只需放置一些磁球即可在肌肉上測出相應的資料，就能測量出患者的肌肉運動意圖，而再加上機器學習演算法以及生物機體建模，則有望實現較好的控制策略。

休·赫爾的中國學生如期回國發展，並已入職北航

未來，休·赫爾希望對膝蓋以下截肢的患者開展一項研究，研究內容是把控制假肢的感測器放在衣服上，或者貼在面板表面，甚至貼在假肢外表面。

磁顯微法還可透過一種被稱為功能性電刺激的技術來改善肌肉控制，這種技術目前被用於幫助脊髓損傷患者恢復活動能力。磁控制的另一個潛在用途是引導機器人外骨骼，讓它能連線到腳踝或其他關節上，以幫助中風患者或肌肉無力人群以進行運動。

休·赫爾說：“從本質上講，磁球和外骨骼就像人工肌肉，可以放大中風受損肢體的生物肌肉輸出”，“這就像汽車上使用的動力轉向裝置。”

但在未來仍有要攻克的難題，李慶國告訴 DeepTech，由於很難去控制人類運動和機械運動之間的協同，因此把磁球固定在肌肉上並不容易，因為肌肉隨時在動。正因為如此，該團隊此次先以火雞為實驗物件，想應用在人體上仍需更多研究。

談及該團隊希望磁顯微法可在未來取代肌電圖，併成為將周圍神經系統與仿生肢體聯絡起來的主要方式。對此李慶國評論稱，這一想法的初衷是讓外骨骼和假肢能跟人體實現通暢的聯接。人和機器的連線，是所有人機互動介面類研究都想解決該問題，否則機器仍舊是機器，人依舊是人，兩者之間沒有共同協調。

肌電圖的方法是基於大量資料分析，在測量超前資訊上，肌電圖方法具有一定優勢，而且肌電圖無需對人體有任何侵入。而磁顯微法還要做手術，磁球位置在人體中也可能會變化，時間久了可能仍然需要重做手術，而這也是休·赫爾的挑戰之一。但總體來看，肌電圖法可以和磁顯微法並存，並不一定要互相替換。

李慶國告訴 DeepTech 人類運動和機械運動之間的協同很難控制，因此把磁鐵球固定在肌肉上也並不容易，因為肌肉隨時在動，會造成磁鐵球位置的漂移。正因此，休·赫爾團隊此次先從火雞做起，想在人體上仍然需要更多研究。可以說，處理磁鐵球和人體肌肉的連線，是下一步該團隊面臨的挑戰。

總體而言，休·赫爾團隊的研究，正走在世界前沿。而此前 DeepTech 曾採訪過的北航博士畢業生楊興幫，剛從其團隊結束博後研究，並已經回國正式入職北航。

在 MIT 做博後期間，楊興幫曾和休·赫爾合作發表過題為《可實現蹠屈 - 背屈雙向運動輔助的線纜驅動可攜帶式踝關節外骨骼》的論文。

如今，楊興幫和家人都已定居北京，這位本科和直博均畢業於北航的 90 後，從一開始到 MIT 就決定學成回國。而休·赫爾團隊的經驗，必將給楊興幫在北航的研究帶來幫助。