最先进的假肢可以帮助截肢者实现自然的行走步态，但它们不能让使用者完全控制肢体。相反，他们依靠机器人传感器和控制器，使用预定义的步态算法来移动肢体。
麻省理工学院的研究人员与来自布里格姆妇女医院的同事合作，使用一种新型的手术干预和神经义肢接口，已经证明使用完全由人体自身神经系统驱动的义肢可以实现自然的行走步态。外科截肢手术重新连接了残肢的肌肉，这使得患者能够接收到关于假肢在空间中的位置的“本体感受”反馈。
在对七名接受这种手术的患者的研究中，麻省理工学院的研究小组发现，与接受传统截肢手术的人相比，他们能够走得更快，避开障碍物，更自然地爬楼梯。
“这是历史上第一个假肢研究，展示了完全神经调节下的假肢，仿生步态出现了。媒体艺术和科学教授、麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联合主任、麻省理工学院麦戈文大脑研究所副成员、这项新研究的资深作者休·赫尔说:“没有人能够证明，这种程度的大脑控制能够产生自然的步态，人类的神经系统控制着运动，而不是机器人的控制算法。”
手术后，患者疼痛减轻，肌肉萎缩减少，这被称为激动剂-拮抗剂肌神经界面(AMI)。到目前为止，全世界大约有60名患者接受了这种手术，这种手术也可以用于手臂截肢的人。
Hyungeun Song，麻省理工学院媒体实验室的博士后，是今天发表在《自然医学》上的这篇论文的主要作者。
感觉反馈
大多数肢体运动是由成对的肌肉控制的，它们轮流伸展和收缩。在传统的膝盖以下截肢手术中，这些成对肌肉的相互作用被破坏。这使得神经系统很难感知肌肉的位置和收缩的速度——这些感觉信息对大脑决定如何移动肢体至关重要。
这种截肢的人可能在控制他们的假肢方面有困难，因为他们不能准确地感觉到假肢在空间中的位置。相反，他们依靠内置在假肢中的机器人控制器。这些假肢还包括可以检测和调整斜坡和障碍物的传感器。
为了帮助人们在完全神经系统控制下实现自然的步态，Herr和他的同事几年前开始开发AMI手术。它们没有切断天然的激动剂-拮抗剂肌肉相互作用，而是将肌肉的两端连接起来，使它们在残肢内仍能动态地相互交流。这种手术可以在初次截肢时进行，也可以在初次截肢后作为翻修手术的一部分重新连接肌肉。
Herr说:“在AMI截肢手术中，我们尽最大可能尝试将原生激动剂和原生拮抗剂以生理方式连接起来，这样截肢后，患者就可以在生理水平的本体感觉和运动范围内活动他们的整个幻肢。”
在2021年的一项研究中，赫尔的实验室发现，接受这种手术的患者能够更精确地控制截肢的肌肉，这些肌肉产生的电信号与完整肢体产生的电信号相似。
在这些令人鼓舞的结果之后，研究人员开始探索这些电信号是否可以为假肢生成命令，同时向用户提供假肢在空间中的位置反馈。佩戴假肢的人可以利用本体感受反馈，根据需要有意识地调整步态。
在《自然医学》的新研究中，麻省理工学院的研究小组发现，这种感官反馈确实转化为一种平稳、近乎自然的行走和穿越障碍的能力。
“由于AMI神经假肢接口，我们能够增强神经信号，尽可能多地保留。这能够恢复一个人的神经能力，使其能够连续、直接地控制整个步态，跨越不同的行走速度、楼梯、斜坡，甚至越过障碍物，”宋说。
自然的步态
在这项研究中，研究人员将7名接受AMI手术的患者与7名接受传统膝盖以下截肢的患者进行了比较。所有的受试者都使用了相同类型的仿生肢体:一个带有动力脚踝的假体，以及可以感知胫骨前肌和腓肠肌肌电信号的电极。这些信号被输入机器人控制器，帮助假肢计算脚踝弯曲的程度，施加多大的扭矩，或者传递多大的能量。
研究人员在几种不同的情况下对受试者进行了测试:在平地上走过一条10米长的小路，在斜坡上行走，在斜坡上行走，在楼梯上行走，在平地上行走，同时避开障碍物。
在所有这些任务中，带有AMI神经义肢接口的人能够走得更快——与没有截肢的人的速度大致相同——并且更容易绕过障碍物。他们还表现出更自然的动作，比如在上楼或跨越障碍时将假肢的脚趾向上指向，并且他们能够更好地协调假肢和完整肢体的运动。他们也能像没有截肢的人一样，用同样的力量推离地面。
“在AMI队列中，我们看到了自然的仿生行为出现，”Herr说。“那些没有AMI的人，他们能够行走，但假肢的运动不自然，他们的运动通常较慢。”
尽管AMI提供的感官反馈量不到正常情况下未截肢者的20%，但这些自然行为还是出现了。
宋说:“这里的一个主要发现是，截肢的神经反馈的一小部分增加可以恢复显著的仿生神经可控制性，从而使人们能够直接神经控制行走的速度，适应不同的地形，避开障碍物。”
“这项工作代表了我们在展示恢复严重肢体损伤患者功能方面的可能性方面又迈出了一步。正是通过这样的合作努力，我们才能在病人护理方面取得革命性的进步，”布里格姆妇女医院的外科医生、哈佛医学院副教授马修·卡蒂(Matthew Carty)说，他也是该论文的作者之一。
让使用假肢的人进行神经控制是Herr实验室实现“重建人体”目标的一步，而不是让人们依赖更复杂的机器人控制器和传感器——这些工具功能强大，但感觉不像用户身体的一部分。
“这种长期方法的问题是，用户永远不会感受到他们的假肢。他们永远不会把假肢视为他们身体的一部分，自我的一部分，”赫尔说。“我们正在采取的方法是试图将人类的大脑与电子力学全面联系起来。”
这项研究是由麻省理工学院K.丽莎杨仿生学中心和尤尼斯肯尼迪施赖弗国家儿童健康与人类发展研究所资助的。
