MIT仿生假肢宗師Hugh Herr研發(fā)磁微測量法，幾毫秒內(nèi)就可將反饋遞送給假肢

MIT仿生腿專家休·赫爾在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”。

休·赫爾自制的或高或低的假肢

正在制作假肢的休·赫爾

一開始他使用金屬材料來為自己制作假肢，但造出來的假肢的長度不是太長、就是太短。后來，他制造的假肢愈發(fā)成熟，最終再次實現(xiàn)攀巖。

就這樣，靠著金屬和木頭，他再次實現(xiàn)攀巖夢想。

即使失去雙腿，學業(yè)卻絲毫沒有落下，他曾開玩笑說，截肢前考試成績經(jīng)常得D或F，截肢后頭腦好像更聰明了。日后，其本科畢業(yè)于賓夕法尼亞米勒斯維爾大學物理學專業(yè)，并在MIT獲得機械工程碩士學位，隨后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的演講視頻至今已有1200多萬播放量。

演講現(xiàn)場的休·赫爾

演講現(xiàn)場的休·赫爾

成為科學家之后的休·赫爾，不再滿足于制作簡單的假肢，而是決心通過技術制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，對比當初被截肢后躺在床上的落寞，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年波士頓馬拉松恐怖襲擊事件失去左下肢的舞蹈演員阿德里安娜·阿斯萊特一戴維斯定制假肢，并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。

休·赫爾使用仿生腿前后對比

阿德里安娜戴上仿生腿跳舞

休·赫爾

此外，他還讓一位在阿富汗戰(zhàn)場中失去雙腿的美國士兵，通過仿生腿可以重新奔跑。

數(shù)月之前，休·赫爾的助理表示，57歲的休·赫爾又要當父親了。如今，僅隔數(shù)月之后，已發(fā)表一百多篇論文的他，再次公布其最新研究成果。

對于截肢患者而言，最大的挑戰(zhàn)就是控制假肢，讓假肢能像正常肢體一樣運動。多數(shù)假肢采用肌電描記法來進行相應控制，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(fā)出一種名叫磁微測量法的新方法，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(nèi)就能把相關反饋傳遞給仿生假肢。相關論文以《磁顯微法》為題發(fā)表在Science Robotics上。

相關論文

休·赫爾希望磁顯微法能取代傳統(tǒng)的肌電描記法，并成為連接外周神經(jīng)系統(tǒng)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信號控制質(zhì)量，實現(xiàn)成本也很低，很有商業(yè)價值。

磁顯微法的另一個優(yōu)點是磁珠一旦植入肌肉，就能永久性穩(wěn)定工作于肌肉當中，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(jīng)常會在領域會議上見面，他表示該研究旨在解決傳感問題，外骨骼和假肢控制的重點在于識別用戶的運動意圖，因此也需要一個“大腦”來傳遞信號，但是傳統(tǒng)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，所以通過新的傳感方法將其和人結(jié)合，是該項研究未來可以考慮發(fā)展的終點。

神經(jīng)元控制肌肉的原理是，大腦給予肌肉信號，這時肌肉就會收縮，并產(chǎn)生一般的運動。健全人的腿部要運動時，大腦只要發(fā)出意識，肌肉就會啟動收縮，腿部就會跟著運動。

休·赫爾希望這種信號能通過大腦傳遞到肌肉，但如果用外貼式的肌電傳感器來進行測量，測量神經(jīng)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，通過植入小磁球，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傳感器來測量。

已在火雞小腿上進行實驗

當前的假肢是通過電極來對人體肌肉進行電測量，其中有兩種方法，第一種是把電極連接到皮膚表面，第二種是通過手術植入肌肉。方法二不僅成本高，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于，肌電圖只能提供肌肉活動信息，而無法提供肌肉的長度或速度數(shù)據(jù)。

舉例來說，當假肢用戶基于肌電圖進行控制時，只能看到一個中間信號，即只能看到大腦發(fā)給肌肉的指令，而無法看到肌肉的實際執(zhí)行情況。

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

該想法始于他在兩年前開發(fā)的一種算法，這種算法可大大減少傳感器確定體內(nèi)小磁球位置所需的時間。在該項研究中，該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(jié)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，以測試該算法的追蹤能力。為了避免磁球植入肌肉組織后發(fā)生運動，他們將磁珠直徑設為3毫米，植入時至少間隔3厘米。

當移動火雞的踝關節(jié)時，他們能以大約一根頭發(fā)的寬度（約37微米）的精度來確定磁球的位置，相關數(shù)據(jù)的測量可在3毫秒內(nèi)完成。

把磁球植入火雞小腿肌肉中

這些測量數(shù)據(jù)可被輸入電腦主機當中以建立對應模型，根據(jù)其余肌肉的收縮情況，用戶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。通過對整個肢體進行數(shù)學建模，即可計算出要控制的假肢關節(jié)的目標位置和速度。

李慶國分析稱，電動的假肢很難識別用戶意圖，它一般使用外部信號來控制，比如位置傳感器和肌電信號等。但這些信號都是外部信號，發(fā)生運動以后才能測到這些數(shù)據(jù)，測量之后仍需大量肌電處理。當運動狀態(tài)發(fā)生改變時，肌電信號也會改變，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(jīng)接到傳感器上，而此次工作的優(yōu)點在于，使用了表面?zhèn)鞲衅?，并通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(chuàng)傷，而且只需放置一些磁球即可在肌肉上測出相應的數(shù)據(jù)，就能測量出患者的肌肉運動意圖，而再加上機器學習算法以及生物機體建模，則有望實現(xiàn)較好的控制策略。

單個磁球的組織學研究

休·赫爾的中國學生如期回國發(fā)展，并已入職北航

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(nèi)容是把控制假肢的傳感器放在衣服上，或者貼在皮膚表面，甚至貼在假肢外表面。

磁顯微法還可通過一種被稱為功能性電刺激的技術來改善肌肉控制，這種技術目前被用于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，讓它能連接到腳踝或其他關節(jié)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(zhì)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(zhuǎn)向裝置?！?p>

磁場傳感陣列

楊興幫

但在未來仍有要攻克的難題，李慶國表示，由于很難去控制人類運動和機械運動之間的協(xié)同，因此把磁球固定在肌肉上并不容易，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對象，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，并成為將周圍神經(jīng)系統(tǒng)與仿生肢體聯(lián)系起來的主要方式。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(xiàn)通暢的聯(lián)接。人和機器的連接，是所有人機交互接口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(xié)調(diào)。

肌電圖的方法是基于大量數(shù)據(jù)分析，在測量超前信息上，肌電圖方法具有一定優(yōu)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(zhàn)之一。但總體來看，肌電圖法可以和磁顯微法并存，并不一定要互相替換。

李慶國表示人類運動和機械運動之間的協(xié)同很難控制，因此把磁鐵球固定在肌肉上也并不容易，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?？梢哉f，處理磁鐵球和人體肌肉的連接，是下一步該團隊面臨的挑戰(zhàn)。

總體而言，休·赫爾團隊的研究，正走在世界前沿。而此前采訪過的北航博士畢業(yè)生楊興幫，剛從其團隊結(jié)束博后研究，并已經(jīng)回國正式入職北航。

在MIT做博后期間，楊興幫曾和休·赫爾合作發(fā)表過題為《可實現(xiàn)跖屈一背屈雙向運動輔助的線纜驅(qū)動可攜帶式踝關節(jié)外骨骼》的論文。（摘自美《深科技》）（編輯/費勒萌）