完全由大脑和脊髓控制的机械腿使七名失去小腿的人能够像没有截肢的人一样快地行走。

仿生腿使用计算机接口，放大来自腿部其余部分肌肉的神经信号，使佩戴者能够利用自己的想法和自然反射来移动假肢。

在一项 14 人临床试验中，使用该界面的参与者比使用传统机械腿的参与者行走速度快 41%。他们还具有更好的平衡能力以及改变速度、爬楼梯和克服障碍的能力。结果今天公布自然医学发表 1。

研究合著者表示：“这是第一项展示具有完全神经调节的自然步态模式的研究，其中人的大脑对仿生假肢有 100% 的控制，而不是机器人算法。” 休·洛德 剑桥麻省理工学院的生物物理学家在宣布研究结果的新闻发布会上说。

“虽然腿是由钛、硅胶和各种机电部件制成的，但腿的感觉和移动很自然，不需要有意识的思考，”他补充道。

1982 年，赫尔在一场暴风雪中被困在新罕布什尔州华盛顿山的冰上，之后双腿被截肢。他说，他将来会考虑为他的四肢安装接口设备。

肌肉遇见机器

现有的仿生假肢大多依靠预设的算法来控制运动，并且可以针对不同的行走条件在预定义的模式之间自动切换。先进的模型可以帮助截肢者更流畅地行走、跑步和爬楼梯，但机器人保留了腿部运动的控制权，而不是用户的控制权，而且该设备感觉不像身体的一部分。

赫尔和他的同事决心改变这一现状，开发了一种界面，可以利用截肢后残留的神经和肌肉信号来控制机械腿。

他们的临床试验包括 14 名膝下截肢的参与者。在佩戴机器人设备之前，其中七人接受了手术，以连接腿部其余部分的肌肉对。

这种手术技术创建了激动剂-拮抗剂肌神经界面（AMI），旨在重建自然的肌肉运动，使一块肌肉的收缩拉伸另一块肌肉。这有助于缓解疼痛、维持肌肉质量并提高仿生腿的舒适度 2。

仿生腿本身包括一个假肢脚踝，配备有传感器和附着在皮肤表面的电极。它们捕获截肢部位肌肉产生的电信号，并将其发送到小型计算机进行解码。该腿重 2.75 公斤，与自然小腿的平均重量相似。

快速改进

为了测试该系统，参与者每人用新的仿生腿练习了总共六个小时。研究人员随后将他们在各种任务上的表现与接受传统手术和假肢的其他七名参与者进行了比较。

AMI 将肌肉信号速率提高到平均每秒 10.5 个脉冲，而对照组约为每秒 0.7 个脉冲。尽管这仅代表生物完整肌肉中肌肉脉冲的 18%（大约每秒 60 次脉冲），但患有 AMI 的参与者能够完全控制他们的假肢，并且比对照组的参与者行走速度快 41%。他们的峰值速度与没有截肢的人沿着 10 米长走廊的水平路径行走时的峰值速度相当。

伊利诺伊州芝加哥市西北大学的神经科学家利维·哈格罗夫说：“我实际上发现，他们只需要很少的学习就可以做得这么好，这是很了不起的。” “通过更长的佩戴该设备的训练时间，他们会看到更多的好处。”

研究人员还测试了参与者处理各种情况的能力，包括在 5 度倾斜的地板上行走、爬楼梯和克服障碍。在所有场景中，AMI 用户都比对照组的人表现出更好的平衡性和更快的性能。

盐湖城犹他大学生物医学工程师托马索·伦齐 (Tommaso Lenzi) 表示：“它为用户提供了高度的灵活性，更加接近生物腿。”

自然体验

该技术为想要恢复自然行走的截肢患者带来了新的希望。 “截肢的人希望保持对四肢的控制。他们希望感觉四肢是他们身体的一部分，”Lenzi 说。 “这种类型的神经接口对于实现这一目标是必要的。”

伦齐说，改进腿的设计可以减轻重量并优化表面电极，这些电极对水分和汗水敏感，可能不适合日常使用。未来的研究需要测试该设备是否能够处理要求更高的活动，例如短跑和跳跃。

赫尔说，他的团队已经在寻找用可以准确跟踪肌肉运动的小型植入磁球代替表面电极的方法。

伦齐说，这项研究“为我们提供了所需的基础，然后将其转化为临床上可行的技术和解决方案，供每个截肢患者使用。”