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磁微測(cè)量法工作原理示意圖 圖片來(lái)源：《科學(xué)—機(jī)器人》

記者 秦志偉

在近期出版的《科學(xué)—機(jī)器人》上，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章稱(chēng)，他們開(kāi)發(fā)出一種控制假肢的新方法，名為磁微測(cè)量法（Magnetomicrometry）。該方法是把小磁珠植入截肢殘肢的肌肉組織，通過(guò)小磁珠在肌肉收縮時(shí)測(cè)量肌肉的運(yùn)動(dòng)量，幾毫秒內(nèi)就能把相關(guān)信息傳遞給假肢，有可能比此前廣泛使用的利用肌電信號(hào)控制假肢的方法更加精確。而這篇文章的標(biāo)題就是Magnetomicrometry。

值得一提的是，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、MIT媒體實(shí)驗(yàn)室教授、該校生物機(jī)電一體化研究小組主任休·赫爾本人就安裝有假肢。因?yàn)樗?17 歲時(shí)的一次攀巖中，因遭遇凍傷下肢被迫截肢。

這些年，休·赫爾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，不斷制造出佩戴更舒適的假肢。第一個(gè)受益人當(dāng)然是他自己。對(duì)比當(dāng)初被截肢后躺在床上的落寞，如今他不僅重新找回攀巖的樂(lè)趣，也幫助了更多像他一樣的患者。

或可取代肌電信號(hào)

對(duì)于截肢患者而言，最大的挑戰(zhàn)就是控制假肢像正常肢體一樣運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)也是科學(xué)家不斷努力的方向。

此前，截肢患者控制假肢是基于肌電信號(hào)，即將電極連接在皮膚表面或植入肌肉以獲取肌肉電信號(hào)。通過(guò)肌電信號(hào)控制假肢的原理，首先是讀取患者殘肢附近殘留肌肉的肌電信號(hào)，然后解碼該信號(hào)獲取患者的運(yùn)動(dòng)意向，再傳遞給假肢去執(zhí)行。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的適應(yīng)性訓(xùn)練，患者就能夠借助假肢恢復(fù)生活必需的簡(jiǎn)單活動(dòng)。

然而，對(duì)于截肢患者來(lái)說(shuō)，想要完全恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)并不容易。目前的假肢控制方式要么控制范圍有限，要么手術(shù)及植入費(fèi)用昂貴。為了讓更多同他一樣的截肢患者回歸正常生活，休·赫爾幾經(jīng)嘗試，終于從磁鐵上獲得靈感。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員將直徑為3毫米的小磁珠成對(duì)植入火雞的腿部肌肉，每對(duì)磁珠之間的距離為3厘米。這樣的距離將確保磁珠不會(huì)被互相吸引而改變位置。磁珠植入后，研究人員對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。他們將一系列磁性傳感器放到火雞腿部外側(cè)，發(fā)現(xiàn)傳感器感知磁珠位置變化的精度可以達(dá)到37微米。并且，他們移動(dòng)火雞的踝關(guān)節(jié)時(shí)，可以在3毫秒內(nèi)得到測(cè)量結(jié)果。

據(jù)休·赫爾介紹，當(dāng)假肢應(yīng)用到人類(lèi)身上時(shí)，這些測(cè)量結(jié)果會(huì)被輸入到計(jì)算機(jī)模型中。該模型根據(jù)截肢者剩余肌肉的收縮情況來(lái)預(yù)測(cè)佩戴者希望進(jìn)行的動(dòng)作。這種策略引導(dǎo)假肢按照截肢者希望的方式來(lái)移動(dòng)，努力實(shí)現(xiàn)與他們想象中的肢體位置相匹配。

而且，該新方法的優(yōu)點(diǎn)之一是只需要微創(chuàng)，即借助一個(gè)很小的傷口就可以將小磁珠植入到肌肉里，而小磁珠可終生保持原位且無(wú)需更換。

電子科技大學(xué)四川省腦科學(xué)與類(lèi)腦智能研究院院長(zhǎng)堯德中在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，此前通過(guò)解碼肌肉運(yùn)動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，先判斷人要干什么，再去控制假肢。而磁微測(cè)量法則是通過(guò)外界安裝磁珠，再測(cè)量肌肉相關(guān)運(yùn)動(dòng)引起的磁場(chǎng)變化的方式，去確定人要干什么，兩者有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，“這兩種研究是并行的，不存在替代問(wèn)題”。堯德中表示。

未來(lái)應(yīng)用廣泛

研究人員稱(chēng)，接下來(lái)的研究將圍繞膝蓋以下截肢的患者開(kāi)展，另外他們還設(shè)想將用于控制假肢的傳感器固定在衣服、皮膚表面或假肢的外部。

而除了幫助截肢患者外，磁微測(cè)量法甚至對(duì)于脊柱損傷的患者同樣適用。因?yàn)槠淇梢酝ㄟ^(guò)一種被稱(chēng)為功能性電刺激的技術(shù)來(lái)改善肌肉控制，該技術(shù)目前被用于幫助脊髓損傷患者恢復(fù)活動(dòng)能力。

此外，磁微測(cè)量法還有個(gè)潛在用途——引導(dǎo)機(jī)器人外骨骼，讓它連接到腳踝或其他關(guān)節(jié)上，以幫助中風(fēng)患者或肌肉無(wú)力人群進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

在休·赫爾看來(lái)，磁珠和外骨骼就像人工肌肉，可以放大中風(fēng)受損肢體的生物肌肉輸出，“這就像汽車(chē)上使用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置”。

堯德中認(rèn)為，通過(guò)磁微測(cè)量法監(jiān)測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)的研究為控制假肢與外骨骼等提供了新的思路，但若是植入磁珠者所在環(huán)境存在足以影響磁珠磁力的外磁場(chǎng)，則可能會(huì)影響其行動(dòng)，甚至帶來(lái)危險(xiǎn)。