在科技日新月异的今天，假肢技术正经历着一场前所未有的革新。麻省理工学院（MIT）的研究人员近日宣布，他们成功研发出一种新型仿生膝关节，为高位截肢患者带来了福音。这项突破性的技术不仅帮助患者提升了行走速度和便利性，更重要的是，它赋予了他们一种前所未有的“身体一体感”。
传统的假肢通常采用套筒设计，将残肢置于其中。然而，MIT的创新之处在于，他们将新型仿生膝关节直接与用户的肌肉和骨骼组织相整合。这种设计理念上的转变，极大地提高了假肢的稳定性，并赋予了使用者对假肢运动更强的控制能力。
在一项小型的临床研究中，参与者普遍反映，与传统高位截肢假肢相比，新型仿生膝关节让他们感觉更像是自己身体的一部分。这种“身体一体感”的提升，对于改善患者的生活质量具有重要意义。
MIT媒体艺术与科学教授、K. Lisa Yang仿生中心联合主任、MIT McGovern脑研究所副研究员Hugh Herr表示：“这种与组织相整合的假肢，通过骨骼锚定并由神经系统直接控制，不再仅仅是一个没有生命的独立设备，而是一个与人体生理机能紧密结合的系统，能够提供更高水平的假肢体现。它不仅仅是人类使用的工具，更是自我不可或缺的一部分。”
这项研究的主要作者是Tony Shu博士，该研究成果发表在《科学》杂志上。
更精准的控制
近年来，Hugh Herr的实验室一直致力于研发新型假肢，旨在从截肢后残余的肌肉中提取神经信息，并利用这些信息来引导假肢的运动。在传统截肢手术中，成对的肌肉通常会被切断，从而破坏了肌肉正常的激动-拮抗关系。这种破坏使得神经系统很难感知肌肉的位置以及收缩速度。
为了解决这个问题，Herr和他的同事开发了一种新的手术方法，称为激动-拮抗肌神经界面（AMI）。通过这种方法，肌肉对在手术中重新连接，从而在残肢内保持动态的相互通信。这种感觉反馈有助于假肢佩戴者决定如何移动肢体，并产生可用于控制假肢的电信号。
在2024年的一项研究中，研究人员发现，接受AMI手术的膝下截肢患者比接受传统膝下截肢的患者能够更快地行走，并且能够更自然地避开障碍物。
在最新的研究中，研究人员将这种方法扩展到更好地服务于高位截肢患者。他们希望创建一个不仅可以使用AMI读取肌肉信号，还可以整合到骨骼中的系统，从而提供更高的稳定性和更好的感觉反馈。
为了实现这一目标，研究人员开发了一种将钛棒插入截肢部位残余股骨中的程序。与传统的假肢相比，这种植入物可以提供更好的机械控制和承重能力。此外，该植入物包含16根导线，用于收集来自体内AMI肌肉上电极的信息，从而可以更准确地转换来自肌肉的信号。
这种骨整合系统，称为e-OPRA，将AMI信号传输到专门为这项研究开发的新型机器人控制器。控制器使用这些信息来计算移动假肢所需的扭矩，以满足用户的意愿。
Shu表示：“所有部件协同工作，可以更好地将信息输入和输出身体，并更好地与设备进行机械连接。我们直接加载骨骼，这是身体应该加载的部分，而不是使用套筒，这既不舒服，又可能导致频繁的皮肤感染。”
在这项研究中，两名受试者接受了AMI和e-OPRA联合系统，称为骨整合机械神经假肢（OMP）。这些用户与8名接受了AMI手术但未接受e-OPRA植入的患者，以及7名既未接受AMI也未接受e-OPRA的患者进行了比较。所有受试者都轮流使用了实验室开发的实验性动力膝关节假肢。
研究人员测量了参与者执行多种类型任务的能力，包括将膝盖弯曲到指定的角度、爬楼梯和跨越障碍物。在大多数这些任务中，使用OMP系统的用户比接受了AMI手术但未接受e-OPRA植入的受试者表现更好，并且比传统假肢的用户表现好得多。
范德堡大学机械工程教授兼智能机电一体化中心主任Michael Goldfarb表示：“这篇论文代表了科学界长期以来的愿景的实现——一个完全生理整合、随意控制的机器人腿的实施和演示。这是一项非常困难的工作，作者为实现如此具有挑战性的目标所做的努力值得称赞。”
身体体现感
除了测试步态和其他运动外，研究人员还提出了一些问题，旨在评估参与者的身体体现感——也就是说，他们的假肢在多大程度上感觉像是自己身体的一部分。
问题包括患者是否感觉自己有两条腿，是否感觉假肢是自己身体的一部分，以及是否感觉自己可以控制假肢。每个问题都旨在评估参与者的能动性、设备所有权和身体表征的感觉。
研究人员发现，随着研究的进行，两名使用OMP的参与者在能动性和所有权方面的感觉比其他受试者有了更大的提高。
Herr表示：“这篇论文的另一个重要意义在于，它研究了这些体现问题，并显示了这种体现感的大幅改善。无论你如何使机器人假肢的人工智能系统变得复杂，对于用户来说，它仍然会感觉像是一个工具，就像一个外部设备。但是，通过这种组织整合方法，当你询问人类用户什么是他们的身体时，整合得越多，他们就越会说假肢实际上是自我的一部分。”
AMI手术现在已在布莱根妇女医院对膝下截肢患者进行常规手术，Herr预计它也将很快成为膝上截肢的标准手术。OMP联合系统需要更大的临床试验才能获得FDA批准用于商业用途，Herr预计这可能需要大约五年时间。
该研究由杨坦集体和DARPA资助。
案例分析与技术细节
为了更深入地理解这项仿生膝关节技术的突破性意义，我们可以从以下几个方面进行更详细的分析：
AMI手术的精细化操作：AMI手术不仅仅是将肌肉对重新连接，更重要的是要恢复其原有的生理功能。这需要外科医生具备高度的专业知识和精湛的操作技巧，以确保肌肉对之间的神经信号能够有效地传递和接收。手术的成功与否直接关系到患者能否获得良好的感觉反馈和运动控制能力。
e-OPRA系统的生物相容性：将钛棒植入人体骨骼需要充分考虑材料的生物相容性，以避免出现排异反应或其他不良并发症。研究人员需要对钛棒的表面进行特殊处理，使其能够与骨骼组织良好地结合，从而实现长期稳定的固定。
机器人控制器的智能化算法：机器人控制器是整个仿生膝关节系统的“大脑”，它需要根据AMI信号实时计算出所需的扭矩，并控制假肢的运动。这需要开发高效、智能的算法，以适应不同用户的运动习惯和需求。未来的研究方向包括引入机器学习技术，使控制器能够根据用户的运动数据进行自我优化。
感觉反馈的神经机制：虽然AMI手术可以恢复部分感觉反馈，但其神经机制尚未完全清楚。未来的研究可以利用神经影像学等技术，深入探索感觉反馈在大脑中的处理过程，从而为进一步改善假肢的控制性能提供理论指导。
技术优势与未来展望
与传统的假肢技术相比，MIT新型仿生膝关节具有以下显著优势：
- 更高的稳定性：通过骨骼整合，假肢与人体的连接更加牢固，从而提高了稳定性，降低了跌倒的风险。
- 更强的控制能力：通过AMI手术，患者可以更精确地控制假肢的运动，实现更加自然、流畅的步态。
- 更好的身体一体感：患者感觉假肢更像是自己身体的一部分，从而提高了生活质量和心理健康水平。
展望未来，仿生膝关节技术还有很大的发展空间。随着材料科学、生物工程、人工智能等领域的不断进步，我们可以期待：
- 更轻便、更坚固的假肢材料：新型材料可以减轻假肢的重量，提高其耐用性，从而提高患者的舒适度和使用寿命。
- 更智能化的控制系统：通过引入更先进的传感器和算法，假肢可以更好地适应用户的运动意图，实现更加个性化的控制。
- 更完善的感觉反馈系统：未来的假肢可以提供更丰富、更真实的感觉反馈，例如温度、压力等，从而提高患者的感知能力。
对康复医学的深远影响
MIT的仿生膝关节研究不仅仅是一项技术突破，更代表了康复医学领域的一场深刻变革。它预示着未来的假肢将不再仅仅是替代缺失肢体的工具，而是与人体紧密融合、高度智能化的“生物机械”装置。这种技术的发展将对以下方面产生深远影响：
- 个性化康复方案：未来的康复方案将更加注重个性化，根据患者的具体情况和需求，定制最合适的假肢和康复计划。通过对患者的运动数据和感觉反馈进行分析，可以不断优化假肢的控制策略，提高康复效果。
- 远程康复监测：通过在假肢上安装传感器，可以实时监测患者的运动状态和康复进展。医生可以通过远程监测平台，及时了解患者的情况，并提供个性化的指导和建议。
- 康复机器人的应用：康复机器人可以辅助患者进行各种康复训练，例如步态训练、平衡训练等。通过与假肢的协同工作，康复机器人可以帮助患者更快地恢复运动功能。
面临的挑战与伦理思考
尽管仿生膝关节技术具有巨大的潜力，但也面临着一些挑战和伦理问题：
- 高昂的成本：仿生膝关节的研发和生产成本相对较高，这可能会限制其普及应用。未来的研究需要降低成本，使更多患者能够受益。
- 手术风险：AMI手术和e-OPRA植入都存在一定的风险，例如感染、出血等。未来的研究需要进一步优化手术方案，降低风险。
- 伦理问题：随着假肢技术的不断发展，可能会出现一些伦理问题，例如人体增强、生物安全等。我们需要对这些问题进行深入思考和讨论，制定合理的规范和伦理准则。
结论
MIT新型仿生膝关节的问世，无疑为高位截肢患者带来了新的希望。这项技术不仅提高了患者的运动能力和生活质量，更重要的是，它赋予了他们一种前所未有的“身体一体感”。随着技术的不断发展和完善，我们有理由相信，未来的假肢将能够更好地服务于人类，帮助更多残疾人重获新生。
