在假肢技术的不断演进中，虽然先进的假肢已经能够帮助截肢者实现较为自然的行走步态，但这些假肢的移动仍然依赖于预定义的步态算法和机器人传感器，而非完全由使用者的神经系统控制。
如何革新传统假肢的控制方式，通过直接连接残肢的肌肉和神经系统，使使用者能够接收到关于假肢在空间中的位置的“本体感受”反馈，从而实现更加自然和直观的行走控制，这一直是一个亟待解决的难题。
近日，
麻省理工学院的研究人员与布莱根妇女医院携手合作，
共同开展了一项研究。他们
通过利用一种新型的外科手术和神经假肢接口，成功实现了完全由人体自身神经系统驱动的假肢行走。
具体而言，这项研究成果展示了
一种名为激动剂-拮抗剂神经界面（AMI）的新型外科手术方法。借助这种方法，外科截肢手术能够重新连接残肢的肌肉，使患者能够直接通过自身的神经系统来控制假肢的运动。
这一研究成果不仅为截肢者带来了更为自然和高效的行走方式，同时也为假肢技术的未来发展开辟了新的方向。
该研究成果的相关论文以已
“Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation”为题发表在《Nature Medicine》
上。麻省理工学院媒体实验室的博士后 Hyungeun Song 为第一作者。该研究得到了麻省理工学院 K. Lisa Yang 仿生学中心和尤妮丝肯尼迪施莱佛国家儿童健康与人类发展研究所的资金支持。
接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！
▍革新假肢技术，提出新型AMI外科手术
在医学界，膝下截肢手术历来会对患者造成不小的挑战。这样的手术通常会干预到那些本应协同工作的成对肌肉，从而使得神经系统难以捕捉到关键的位置和速度信息，进而影响到肢体控制。因为无法精确感知肢体在空间中的具体位置，许多截肢患者发现，他们难以自如地操控假肢，往往需要依赖假肢所配备的机器人控制器与传感器来辅助。
为了改善这一状况，麻省理工学院的研究团队在过去几年中一直
致力于开发一种被称为激动剂-拮抗剂神经界面（AMI）的革新性外科手术方法。这种手术方法的独特之处在于，它并不切断肌肉间的自然相互作用，而是通过重新连接残肢中的肌肉，使它们能够继续保持动态的交流。无论是在初次截肢时，还是在之后的修复手术中，AMI都提供了一种新的可能性。
Hugh Herr，该研究的作者之一，解释说：“通过AMI截肢手术，我们的目标是以最接近生理的方式重新连接原生激动剂和原生拮抗剂，以便患者在截肢后能以最接近自然的方式感知并移动他们的幻肢。”
在早期的研究中，Herr的团队观察到接受
AMI手术的患者能够更精准地控制他们的截肢部位，而且这些肌肉产生的电信号与未受损肢体的电信号十分相似。
基于这些积极的结果，研究人员进一步探讨了这些电信号是否可以用来直接为假肢生成控制命令，并同时向用户反馈其在空间中的位置。
最新的研究显示，通过AMI神经假体界面，患者获得的感觉反馈确实可以帮助他们实现流畅且接近自然的行走，甚至能够越过障碍。
这一进步不仅标志着对神经信号的最大化利用和保留，还恢复了患者的神经能力，使他们能够连贯而直接地掌控各种步行模式，包括在不同速度下行走、上下楼梯、走斜坡，甚至越过障碍物。
▍增强神经信号，实现更自然、高效行走
为了评估新型主动肌-拮抗肌神经接口（AMI）手术对小腿截肢患者神经假肢控制的影响，研究人员采用非随机对照试验设计，进行了医疗实验研究。研究整合了外科手术、神经工程、生物力学和步态分析等跨学科技术，以全面评价AMI手术在恢复截肢者自然步态功能方面的功效。
研究团队从麻省理工学院及其合作机构招募了14名单侧膝下截肢的患者，其中7名接受了AMI截肢手术（AMI组），另外7名接受传统截肢手术作为对照组（CTL组）。
参与者的选取标准包括年龄、截肢后时间、身高和体重，以确保两组在基线特征上的一致性。
AMI手术通过重新连接残留的主动肌和拮抗肌，模仿截肢前肌肉的完整动力学。关键步骤包括
连接外侧腓肠肌（GAS）与胫骨前肌（TA），以及腓骨长肌与胫骨后肌。随后，研究者集成了一个先进的仿生肢体系统，该系统包含动力假肢踝关节、肌电图（EMG）传感器单元和柔性表面电极，基于从TA和GAS肌肉采集的EMG信号实现连续的踝关节扭矩调节。
在测试流程中，所有受试者在参与研究前都经过全面评估，
包括残肢肌肉神经力学评估、步态分析和神经假体系统的校准。测试项目涵盖了平地行走（多种速度）、斜坡和楼梯适应能力及障碍物穿越试验，确保受试者在测试前充分练习以稳定使用仿生肢体。
研究结果显示，AMI受试者在各种行走测试中均展现出较对照组更接近自然的步态模式，
尤其在不同速度下的平地行走测试中，AMI受试者的踝关节角度调节更为自然，能更好地模拟生物踝关节的运动学特性。此外，AMI受试者在斜坡和楼梯行走测试中表现出对地形变化更好的适应性，以及在越障行走测试中更加稳定和高效的表现。
整体而言，研究结果表明AMI手术通过增强残肢肌肉的神经信号，显著提升了截肢者的自然步态功能，为其实现更自然、高效的行走提供了新的可能性。
参考文章：
https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9
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