神经控制仿生假肢实现自然行走技术解析

神经驱动假肢实现自然行走

目前最先进的假肢虽然能帮助截肢者实现自然步态，但无法让使用者对假肢进行完全的神经控制。这些假肢依赖机器人传感器和控制器，通过预定义的步态算法来移动假肢。

通过新型手术干预和神经假体接口，某机构的研究人员与某医院合作证明，使用完全由人体自身神经系统驱动的假腿可以实现自然行走步态。这种外科截肢手术重新连接了残肢中的肌肉，使患者能够接收关于假肢空间位置的“本体感觉”反馈。

在对七名接受该手术的患者进行的研究中，研究团队发现他们能够比传统截肢者更自然地快速行走、避开障碍物和上下楼梯。

新型手术接口技术

这种被称为“激动剂-拮抗剂肌神经接口”（AMI）的手术不仅能实现更自然的运动控制，患者术后疼痛和肌肉萎缩也更少。目前全球约有60名患者接受了这种手术，该技术同样适用于上肢截肢者。

大多数肢体运动由成对肌肉控制，这些肌肉交替拉伸和收缩。在传统的膝下截肢术中，这些配对肌肉的相互作用被破坏，导致神经系统难以感知肌肉位置和收缩速度——这些感觉信息对于大脑决定如何移动肢体至关重要。

与传统方法不同，AMI手术不是切断自然的激动剂-拮抗剂肌肉相互作用，而是连接肌肉的两端，使它们能在残肢内保持动态通信。这种手术可以在初次截肢时进行，也可以在后续修复手术中重新连接肌肉。

神经信号控制与反馈机制

在2021年的一项研究中，研究团队发现接受该手术的患者能够更精确地控制截肢肢体的肌肉，这些肌肉产生的电信号与完整肢体的信号相似。

基于这些令人鼓舞的结果，研究人员开始探索这些电信号是否能为假肢生成指令，同时为用户提供肢体空间位置的反馈。佩戴假肢的人随后可以使用这种本体感觉反馈，根据需要自主调整步态。

在《自然医学》的新研究中，研究团队发现这种感觉反馈确实转化为平滑、接近自然的行走和避障能力。通过AMI神经假体接口，研究团队能够增强神经信号，尽可能保留自然功能，恢复人们持续直接控制完整步态的神经能力。

临床对比研究结果

在这项研究中，研究人员比较了七名接受AMI手术的患者与七名传统膝下截肢者。所有受试者使用相同类型的仿生肢体：配备动力踝关节和能够感知胫骨前肌和腓肠肌肌电图信号的电极的假肢。这些信号被输入机器人控制器，帮助假肢计算踝关节弯曲角度、施加的扭矩或传递的动力。

研究人员在几种不同情况下测试受试者：在10米平地上行走、上坡行走、下坡行走、上下楼梯，以及在平地上行走时避开障碍物。

在所有任务中，拥有AMI神经假体接口的人能够走得更快——速度与未截肢者相当——并且更容易避开障碍物。他们还表现出更自然的运动，例如上楼梯或跨过障碍物时向上抬起假肢脚尖，并且能更好地协调假肢和完整肢体的运动。他们也能用与未截肢者相同的力推离地面。

技术前景与应用价值

这些自然行为的出现，尽管AMI提供的感觉反馈量还不到未截肢者正常接收量的20%。这一主要发现表明，从截肢肢体传来的神经反馈的微小增加，就能恢复显著的仿生神经控制能力，使人们能够直接神经控制行走速度、适应不同地形和避开障碍物。

这项工作是展示在严重肢体损伤患者功能恢复方面的可能性的又一步骤。通过这样的合作努力，我们能够在患者护理方面取得变革性进展。

让使用者能够进行神经控制是实现“重建人体”目标的重要一步，而不是让人们依赖日益复杂的机器人控制器和传感器——这些工具功能强大，但不会让用户感觉是身体的一部分。长期来看，用户永远不会觉得假肢是他们身体的一部分、自我的一部分。而这种方法试图全面连接人类大脑与机电系统。

该研究由某机构仿生学中心、国家神经疾病与中风研究所、神经外科研究教育基金会医学研究奖学金以及某国家儿童健康与人类发展研究所资助。