仿生假肢宗师Hugh Herr研发磁微测量法,几毫秒内可将反馈递送假肢

MIT 仿生腿专家休·赫尔(Hugh Herr)在 17 岁时的一次攀岩中,因遭遇冻伤下肢被迫截肢(www.worldind.com)。但他认为只有技术才会有残缺,人类身体永远不会“残缺”。

图 | 休·赫尔自制的或高或低的假肢(来源:TED)

一开始他使用金属材料来为自己制作假肢,但造出来的假肢的长度不是太长、就是太短。后来,他制造的假肢愈发成熟,最终再次实现攀岩。

图 | 正在制作假肢的休·赫尔(来源:TED)

就这样,靠着金属和木头,他再次实现攀岩梦想。

图 | 休·赫尔再次实现攀岩(来源:TED)

即使失去双腿,学业却丝毫没有落下,他曾开玩笑说,截肢前考试成绩经常得 D 或 F,截肢后头脑好像更聪明了。日后,其本科毕业于宾夕法尼亚米勒斯维尔大学物理学专业,并在 MIT 获得机械工程硕士学位,随后拿到哈佛大学生物物理学博士学位。

图 | 穿戴仿生腿进行演讲(来源:TED)

目前他是 MIT 媒体实验室的教授,也是该校生物机电一体化研究小组的主任。截至 2014 年,他在 TED 的演讲视频至今已有 1200 多万播放量。

图 | 演讲现场的休·赫尔(来源:TED)

成为科学家之后的休·赫尔,不再满足于制作简单的假肢,而是决心通过技术制造出让残疾人佩戴更舒适的假肢。

第一个受益人当然是他自己,对比当初被截肢后躺在床上的落寞,如今他不仅拯救了自己,也帮助了更多像他一样的患者。

图 | 休·赫尔使用仿生腿前后对比(来源:TED)

他和团队曾花费两百天,为一位在 2013 年波士顿马拉松恐袭事件失去左下肢的舞蹈演员阿德里安娜.阿斯莱特-戴维斯(Adrianne Haslet-Davis)定制假肢,并让对方得以重返舞台。在休·赫尔的 TED 演讲末尾,阿德里安娜戴上仿生腿跳了一支舞,全场观众全体起立鼓掌。

图 | 阿德里安娜戴上仿生腿跳舞(来源:TED)

此外,他还让一位在阿富汗战场中失去双腿的美国士兵,通过仿生腿可以重新奔跑。

图 | 戴上假肢奔跑的美国士兵(来源:TED)

数月之前,休·赫尔的助理告诉 DeepTech,57 岁的休·赫尔又要当父亲了。如今,仅隔数月之后,已发表一百多篇论文的他,再次公布其最新研究成果。

对于截肢患者而言,最大的挑战就是控制假肢,让假肢能像正常肢体一样运动。多数假肢采用肌电描记法(electromyography)来进行相应控制 ,这是一种记录肌肉电活动的方法,但该方法只能提供有限的控制能力。

而此次休·赫尔团队开发出一种名叫磁微测量法(MM,Magnetomicrometry)的新方法,其表示这能为假肢的运动提供更精确的控制。

图 | 休·赫尔(来源:资料图)

具体来说,这种磁微测量法(MM,Magnetomicrometry)的原理是把小磁珠植入截肢残肢的肌肉组织,即可在肌肉收缩时精确测量肌肉的长度,几毫秒内就能把相关反馈传递给仿生假肢。8 月 18 日,相关论文以《磁显微法》(Magnetomicrometry)为题发表在 Science Robotics 上。

图 | 相关论文(来源:Science Robotics)

休·赫尔希望磁显微法能取代传统的肌电描记法,并成为连接外周神经系统和仿生四肢的主要控制方式。得出这样的分析,是因为他认为磁显微法具备毫米级的高信号控制质量,实现成本也很低,很有商业价值。

磁显微法的另一个优点是磁珠一旦植入肌肉,就能永久性稳定工作于肌肉当中,不需要更换。

加拿大安大略省金斯敦皇后大学机械与材料工程学院李庆国教授,和休·赫尔相识多年,两人经常会在领域会议上见面,他告诉 DeepTech 该研究旨在解决传感问题,外骨骼和假肢控制的重点在于识别用户的运动意图,因此也需要一个“大脑”来传递信号,但是传统外骨骼和假肢没有高层次“大脑”来进行指挥和控制,它们和人体也是分离的,所以通过新的传感方法将其和人结合,是该项研究未来可以考虑发展的终点。

(来源:Science Robotics)

神经元控制肌肉的原理是,大脑给予肌肉信号,这时肌肉就会收缩,并产生一般的运动。健全人的腿部要运动时,大脑只要发出意识,肌肉就会启动收缩,腿部就会跟着运动。

休·赫尔希望这种信号能通过大脑传递到肌肉,但如果用外贴式的肌电传感器来进行测量,测量神经传导会很困难。不同以往,此次该团队是想直接测量肌肉的运动特性,通过植入小磁球,就能直接测量肌肉的运动特性,这样就无需再用外贴式肌电传感器来测量。

已在火鸡小腿上进行实验

当前的假肢是通过电极来对人体肌肉进行电测量,其中有两种方法,第一种是把电极连接到皮肤表面,第二种是通过手术植入肌肉。方法二的优点在于不仅成本高,同时还得植入人体,但它能提供更精确的测量。

这两种方法的共同缺点在于,肌电图只能提供肌肉活动信息,而无法提供肌肉的长度或速度数据。

举例来说,当假肢用户基于肌电图进行控制时,只能看到一个中间信号,即只能看到大脑发给肌肉的指令,而无法看到肌肉的实际执行情况。

针对此他决定在肌肉中植入一对磁球,通过测量磁球的相对运动,就能算出肌肉收缩的程度和速度。

(来源:Science Robotics)

该想法始于他在两年前开发的一种算法,这种算法可大大减少传感器确定体内小磁球位置所需的时间。在该项研究中,该算法也帮助他克服了磁显微法控制假肢时的主要障碍,让测量结果得以实时接收。

实验中,休·赫尔还把磁球植入火鸡小腿肌肉中,以测试该算法的追踪能力。为了避免磁球植入肌肉组织后发生运动,他们将磁珠直径设为 3 毫米,植入时至少间隔 3 厘米。

图 | 把磁球植入火鸡小腿肌肉中(来源:Science Robotics)

当移动火鸡的踝关节时,他们能以大约一根头发的宽度(约 37 微米)的精度来确定磁球的位置,相关数据的测量可在三毫秒内完成。

这些测量数据可被输入电脑主机当中以建立对应模型,根据其余肌肉的收缩情况,用户就能让假肢按照预期方式进行移动。磁显微法还可直接测量肌肉长度和肌肉速度。通过对整个肢体进行数学建模,即可计算出要控制的假肢关节的目标位置和速度

图 | 单个磁球的组织学研究(来源:Science Robotics)

李庆国分析称,电动的假肢很难识别用户意图,它一般使用外部信号来控制,比如位置传感器和肌电信号等。但这些信号都是外部信号,发生运动以后才能测到这些数据,测量之后仍需大量肌电处理。当运动状态发生改变时,肌电信号也会改变,这可以说这二者存在着耦合,因此在控制上的可靠性很低。

休·赫尔团队一直想让神经接到传感器上,而此次工作的优点在于,使用了表面传感器,并通过安装一块磁球来测量肌肉长度和运动变化,该方法不仅不会给患者带来创伤,而且只需放置一些磁球即可在肌肉上测出相应的数据,就能测量出患者的肌肉运动意图,而再加上机器学习算法以及生物机体建模,则有望实现较好的控制策略。

休·赫尔的中国学生如期回国发展,并已入职北航

未来,休·赫尔希望对膝盖以下截肢的患者开展一项研究,研究内容是把控制假肢的传感器放在衣服上,或者贴在皮肤表面,甚至贴在假肢外表面。

磁显微法还可通过一种被称为功能性电刺激的技术来改善肌肉控制,这种技术目前被用于帮助脊髓损伤患者恢复活动能力。磁控制的另一个潜在用途是引导机器人外骨骼,让它能连接到脚踝或其他关节上,以帮助中风患者或肌肉无力人群以进行运动。

休·赫尔说:“从本质上讲,磁球和外骨骼就像人工肌肉,可以放大中风受损肢体的生物肌肉输出”,“这就像汽车上使用的动力转向装置。”

图 | 磁场传感阵列(来源:Science Robotics)

但在未来仍有要攻克的难题,李庆国告诉 DeepTech,由于很难去控制人类运动和机械运动之间的协同,因此把磁球固定在肌肉上并不容易,因为肌肉随时在动。正因为如此,该团队此次先以火鸡为实验对象,想应用在人体上仍需更多研究。

谈及该团队希望磁显微法可在未来取代肌电图,并成为将周围神经系统与仿生肢体联系起来的主要方式。对此李庆国评论称,这一想法的初衷是让外骨骼和假肢能跟人体实现通畅的联接。人和机器的连接,是所有人机交互接口类研究都想解决该问题,否则机器仍旧是机器,人依旧是人,两者之间没有共同协调。

肌电图的方法是基于大量数据分析,在测量超前信息上,肌电图方法具有一定优势,而且肌电图无需对人体有任何侵入。而磁显微法还要做手术,磁球位置在人体中也可能会变化,时间久了可能仍然需要重做手术,而这也是休·赫尔的挑战之一。但总体来看,肌电图法可以和磁显微法并存,并不一定要互相替换。

李庆国告诉 DeepTech 人类运动和机械运动之间的协同很难控制,因此把磁铁球固定在肌肉上也并不容易,因为肌肉随时在动,会造成磁铁球位置的漂移。正因此,休·赫尔团队此次先从火鸡做起,想在人体上仍然需要更多研究。可以说,处理磁铁球和人体肌肉的连接,是下一步该团队面临的挑战。

总体而言,休·赫尔团队的研究,正走在世界前沿。而此前 DeepTech 曾采访过的北航博士毕业生杨兴帮,刚从其团队结束博后研究,并已经回国正式入职北航。

图 | 杨兴帮(来源:受访者)

在 MIT 做博后期间,杨兴帮曾和休·赫尔合作发表过题为《可实现跖屈 - 背屈双向运动辅助的线缆驱动可携带式踝关节外骨骼》的论文。

如今,杨兴帮和家人都已定居北京,这位本科和直博均毕业于北航的 90 后,从一开始到 MIT 就决定学成回国。而休·赫尔团队的经验,必将给杨兴帮在北航的研究带来帮助。

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