智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 屈望苗
编辑 | 江心白

智东西4月25日消息，国际知名学术期刊IEEE Spectrum于美国东部时间4月23日刊登了一项研究成果，美国北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）的研究团队发现，截肢者可以通过腿部传感器解析大脑发出的生物电信号，来控制机器假肢。

而且经过训练，患者还能进行更好的姿态控制，实现更稳定地站立并完成复杂动作。

这一研究成果已于美国东部时间4月12日发表在《可穿戴技术（Wearable Technologies）》期刊上，文章题目为《直接连续肌电控制的动力假肢踝关节改善姿势控制后指导体育训练：案例研究（Direct continuous electromyographic control of a powered prosthetic ankle for improved postural control after guided physical training: A case study）》。

文章链接：https://www.cambridge.org/core/journals/wearable-technologies/article/direct-continuous-electromyographic-control-of-a-powered-prosthetic-ankle-for-improved-postural-control-after-guided-physical-training-a-case-study/B97FE01247EFB1B98C8D7396DAF8F60C?

一、传感器检测肌肉电信号，驱动机器假肢

世界各地有很多的研究团队都在开发下肢外骨骼，也就是机器假肢。这些设备本质上就是能行走的机器人，它们可以自动执行预先编程的循环运动。患者将机器假肢绑在腿上，就可以走动。

如果患者要进行走路之外的复杂活动，理想情况下，他们应该能通过思想控制这些机器假肢，例如，研究人员可以利用附着在腿部的传感器，检测从患者大脑发送到肌肉的生物电信号，生成直接、连续肌电图（direct, continuous electromyographic，dEMG）并以此驱动机器假肢。

▲传感器检测到的生物电信号，驱动机器假肢

北卡罗莱纳州立大学生物医学工程师、该研究的作者之一海伦·黄（Helen Huang）说：“机器假肢的自主控制能很好地实现它的行走功能，但如果涉及复杂一些的运动，比如打网球或跳舞，这个过程最好是由人的神经来控制。”

不过，要让截肢者对机器假肢进行神经控制，截肢者的神经系统能不能很好地控制残留的肌肉，还是一个问题。

“经过截肢手术后，肌肉的原始结构发生了改变，”黄说，“我们发现，患者可以激活这些残留的肌肉，但它们收缩的方式与健全者的腿部肌肉不同，所以患者需要训练如何使用这些肌肉。”

二、患者经训练可以稳定、协调地运动

在这项研究中，黄的团队让一名截肢者佩戴机器假肢，并在理疗师的指导下完成神经控制动力假肢踝关节训练，这些训练对于普通的假肢来说是很有挑战性的。在训练中，机器假肢接收来自两块小腿肌肉的生物电信号，这两块肌肉控制的是踝关节的运动。

▲患者通过神经控制机器假肢的原理图

研究中这位57岁的志愿者失去了左腿膝盖到脚踝中间的部分。在为期两周半的疗程中，他接受了五次训练，每次时长约两小时。

北卡罗莱纳州立大学生物医学工程师、该研究的第一作者亚伦·弗莱明（Aaron Fleming）说，训练中，理疗师帮助反馈志愿者的踝关节正在做什么样的运动，在他们的帮助下，志愿者“首先实现关节的运动，然后再是全身运动和全身协调”。

经过训练，该志愿者可以完成许多以前很难做到的动作。比如说，在没有任何外力帮助的情况下从坐姿站起来，或者不借助身体其他部位的力量，下蹲并从地上捡起某样东西。

从研究结果来看，该志愿者站立和移动时的稳定性得到了很大改善。其实，佩戴机器假肢的患者往往很难站得稳，因为机器很难预测外界的扰动，也不会预测人体可能会如何应对这些扰动，所以往往无法做出姿态的调整。

在弗莱明看来，经过训练，佩戴机器假肢的患者“站立时的稳定性和姿势细节的控制非常令人惊讶”。

结语：站稳“脚”之后，研究“脑”

通过“意念”来控制机器已不再是陌生的话题，弗莱明的研究团队在这一领域中实现了更精确、更稳定的控制，让截肢者能够站得住、走得稳，并且完成健全人能轻松做到的动作。

不过，研究人员并未止步于此。他们现在的目标是对更多佩戴机器假肢的患者进行检查，并尝试让他们完成更复杂的动作，比如规避障碍物等。根据黄的说法，他们还想进一步研究，在训练中，这些患者的神经系统“恢复了原来的神经通路吗”？

来源：IEEE Spectrum