延迟低至 3 毫秒:麻省理工新研究,在肌肉内植入磁珠控制假肢

智东西 2021/8/19 21:07:28 责编:姜戈

8 月 19 日消息,麻省理工学院的一个研究团队正在开发一种控制假肢的新方法,通过在肌肉中植入小磁珠精确测量肌肉收缩的长度,并将这种信号反馈给假肢,来实现对假肢更精准的控制。

经过测试,研究人员发现利用这种方法传感器最低可以感受到肌肉 37 微米的收缩,这个长度与人类头发丝的直径相当,并且信号延迟只有 3 毫秒,比传统上利用肌电信号控制假肢的方法要更加精确。

这项研究于 8 月 18 日发表在 Science 子刊 Science Robotics 上,论文名称为 Magnetomicrometry。

论文链接:https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabg0656

一、让传感器知道肌肉在做什么,控制假肢能更精准

对于穿戴假肢的截肢者来说,最大的挑战之一就是像控制自己本来的肢体一样自然地控制假肢。

目前有两种较常见的可以让截肢者自由控制假肢的方式。一种方式是将电极连接在皮肤表面获取肌电信号,这种方式对假肢的控制有限,并且还不够灵活。另一种方式是将电极植入肌肉以获取肌电信号,尽管这种方式对假肢的控制相对上一种会更加准确,但是需要进行手术植入且价格昂贵。

然而不管是以上两种方式的哪一种,都是基于肌电信号来作出反应,而不是实际的肌肉变化。“当你使用肌电信号控制假肢时,你得到的只是大脑告诉肌肉应该怎么做的信号,而不是肌肉的实际动作。”麻省理工学院博士后 Cameron Taylor 说。

研究人员想,如果传感器可以感知到肌肉正在做什么,那么应该能够更加精准的控制假肢

为了实现这个目标,他们决定将成对的磁铁植入到肌肉中,通过测量这些磁铁的运动来计算肌肉收缩的程度和速度,以此来控制假肢的运动。这种方法被他们称作 Magnetomicrometry(MM)。

▲ Magnetomicrometry 工作原理示意图

二、新技术能感知 37 微米的肌肉收缩,延迟只有 3 毫秒

研究人员将直径为 3 毫米的小磁珠成对的植入火鸡的腿部肌肉,每对磁珠之间的距离为 3 厘米,他们发现如果离得更近的话,磁珠就会相互吸引而改变位置。

磁珠植入好之后,研究人员用自己的算法对 MM 进行了测试,他们将一系列磁性传感器放到火鸡腿部外侧,发现传感器感知磁珠位置变化的精度可以达到 37 微米。并且,他们移动火鸡的踝关节时,可以在 3 毫秒内得到测量结果。

“我们希望 MM 能取代肌电信号,成为将神经系统与仿生肢体联系起来的主要方式,因为我们可以利用 MM 获得更高质量的信号。”论文作者之一 Hugh Herr 说。

为了让截肢者控制假肢,这些测量结果会被输入到计算机模型中。该模型根据截肢者剩余肌肉的收缩情况来预测其希望进行的动作。这种策略引导假肢按照截肢者希望的方式来移动,与他们想象中的肢体位置相匹配。

Hugh Herr 说:“通过 MM,我们可以直接测量肌肉收缩的长度和收缩速度。然后通过我们对肢体的数学建模,可以计算出要控制的假肢的目标位置和需要移动的速度,只需要一个简单的机器人控制器就可以控制这些关节。”

▲ 通过测量肌肉收缩控制假肢动作

三、小磁珠一次植入终生有效,还能帮中风患者恢复行动

研究人员称接下来的研究将围绕膝盖以下截肢的患者开展,另外他们还设想将用于控制假肢的传感器固定在衣服、皮肤表面或假肢的外部。

研究者还提到 MM 最大的优点是微创,只需要一个很小的伤口就可以将小磁珠植入到肌肉里,并且这些珠子可以终生保持原位而无需更换。因此,这一方法的成本较低,并且相关监管机构也不会有太多监管障碍。

除了控制假肢之外,研究者说 MM 还有其他的用途,比如它可以通过“功能性电刺激技术(functional electrical stimulation)”来改善患者对肌肉的控制,这种技术现在可以用于帮助脊髓损伤的患者恢复活动能力。MM 的另一个可能的用途是引导机械外骨骼,将它连接到脚踝或其他关节,可以帮助中风或其他类型肌无力的患者更好的行动。

结语:仿生假肢技术层出不穷,何时能够商用?

目前仿生假肢技术层出不穷,比如前不久麻省理工学院同上海交通大学共同开发的靠空气驱动的软体机械手,既能让穿戴者精确控制假肢,还能拥有触觉。再比如今年四月份美国北卡罗莱纳州立大学的一项研究,让截肢者可以通过大脑信号控制假肢。

不过这些技术目前都是存在于实验室中,离落地商用还有不小的距离

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