來源：生物世界 Hugh Herr 團隊在國際頂尖醫學期刊 Nature Medicine 上發表了題為：Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation 的研究論文。 該研究開發了一種神經義肢接口，將來自大腦的信號與義肢連接，由此構建的仿生腿對人體神經系統產生完全響應，幫助使用者根據自己的想法和自然反射來行走。在14名膝下截肢人士參與的臨床試驗中，仿生腿幫助他們和沒有截肢的健全人走得差不多快，讓他們使擁有了具有更好的平衡能力以及改變速度、爬樓梯和跨越障礙的能力。 這些結果表明，即使只恢復部分神經信號傳導，或許也足以實現神經義肢功能的臨床相關改善。 該研究的領導者 Hugh Herr 教授表示，這是第一項展示了全神經調控下自然步態模式的研究，在這種模式下，人的大腦能100%控制仿生義肢，而不是由機器人算法控制。盡管這個義肢由鈦、硅以及各種機電部件組成，但其使用起來的感覺很自然，甚至不用有意識地去思考，它就能自然移動。 目前大多數現有的仿生義肢依賴于預設算法來驅動運動，并能在為各種步行狀況預設的模式之間自動切換。目前前沿的仿生義肢已經能夠幫助截肢者更流暢地行走、跑步和爬樓梯，但控制腿部運動的是義肢而非使用者本人，而且使用者也會感覺到該義肢并非身體的一部分。 Hugh Herr 決心改變這種情況，他和團隊開發了一種神經義肢接口，利用截肢后殘留的神經和肌肉發出的信號來控制義肢，具體來說，通過手術將成對的主動肌-拮抗肌與感知電極相連，這些成對的動態肌肉在殘肢內通過手術構建，作為腿部截肢人士的神經義肢控制和本體感受來源。這個接口能將患者的神經控制信息傳給一個外部義肢，并進一步將義肢位置和運動的本體感受傳回給使用者。 接下來，研究團隊進行了一項14名膝蓋以下截肢患者參與的臨床試驗，在佩戴該仿生義肢裝置之前，其中7人接受了手術，將腿部殘端的成對的主動肌-拮抗肌連接在一起，不僅能夠重建自然的肌肉運動，還有助于減輕疼痛，保留肌肉量，提高仿生義肢的舒適度。該仿生腿整體重量為2.75公斤，與天然小腿的平均重量相當。 為了測試該系統，研究團隊讓每位參與者使用新的仿生腿總共練習6個小時。隨后，將他們在各項任務中的表現與另外7名接受了傳統手術和義肢的參與者進行了比較。 結果顯示，該神經義肢接口將試驗組肌肉信號的速率平均提高到了每秒10.5次脈沖，而使用傳統義肢的對照組約為每秒0.7次脈沖，試驗組參與者能夠完全控制他們的仿生腿，行走速度比對照組快41%。在沿著10米長的平坦走廊步行時，他們的峰值速度與未截肢的健全人相當。 值得一提的是，這一效果是在僅僅練習6小時后取得的，如果更長時間的佩戴和使用，他們將獲益更多。 研究團隊還測試了參與者在各種情況下的應對能力，在真實世界環境中，包括斜坡、臺階和被堵住的小路，在所有情況下，仿生腿使用者都比對照組表現出更好的平衡性和更快的運動能力。 這項技術為那些想要恢復自然行走體驗的截肢者帶來了新的希望。截肢者想要控制自己的肢體，希望肢體成為身體的一部分，而該研究開發的神經義肢接口是創造這一切的必要條件。 該設備使用的表面電極對濕度和汗水很敏感，這導致其可能還不適合日常使用，因此，還需要進一步改進以滿足短跑和跳躍等更高的運動要求。 Hugh Herr 教授表示，團隊正在開發一種新方法，使用植入的可精確跟蹤肌肉運動的小磁性球來取代表面電極，以解決當前的不足。 總的來說，這些研究結果或可用于指導今后的肢體重建技術，從而恢復截肢或運動癱瘓人士對身體運動的神經控制。