延迟低至 3 毫秒：麻省理工新研究，在肌肉内植入磁珠控制假肢

8月19日消息，麻省理工学院的一个研究团队正在开发一种控制假肢的新方法，通过在肌肉中植入小磁珠精确测量肌肉收缩的长度，并将这种信号反馈给假肢，来实现对假肢更精准的控制。
经过测试，研究人员发现利用这种方法传感器最低可以感受到肌肉37微米的收缩，这个长度与人类头发丝的直径相当，并且信号延迟只有3毫秒，比传统上利用肌电信号控制假肢的方法要更加精确。
这项研究于8月18日发表在Science子刊ScienceRobotics上，论文名称为Magnetomicrometry 。

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论文链接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabg0656
一、让传感器知道肌肉在做什么，控制假肢能更精准
对于穿戴假肢的截肢者来说，最大的挑战之一就是像控制自己本来的肢体一样自然地控制假肢。
目前有两种较常见的可以让截肢者自由控制假肢的方式。一种方式是将电极连接在皮肤表面获取肌电信号，这种方式对假肢的控制有限，并且还不够灵活。另一种方式是将电极植入肌肉以获取肌电信号，尽管这种方式对假肢的控制相对上一种会更加准确，但是需要进行手术植入且价格昂贵。
然而不管是以上两种方式的哪一种，都是基于肌电信号来作出反应，而不是实际的肌肉变化。 “当你使用肌电信号控制假肢时，你得到的只是大脑告诉肌肉应该怎么做的信号，而不是肌肉的实际动作。 ”麻省理工学院博士后CameronTaylor说。
研究人员想，如果传感器可以感知到肌肉正在做什么，那么应该能够更加精准的控制假肢。
为了实现这个目标，他们决定将成对的磁铁植入到肌肉中，通过测量这些磁铁的运动来计算肌肉收缩的程度和速度，以此来控制假肢的运动。这种方法被他们称作Magnetomicrometry（MM）。

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▲Magnetomicrometry工作原理示意图
二、新技术能感知37微米的肌肉收缩，延迟只有3毫秒
研究人员将直径为3毫米的小磁珠成对的植入火鸡的腿部肌肉，每对磁珠之间的距离为3厘米，他们发现如果离得更近的话，磁珠就会相互吸引而改变位置。
磁珠植入好之后，研究人员用自己的算法对MM进行了测试，他们将一系列磁性传感器放到火鸡腿部外侧，发现传感器感知磁珠位置变化的精度可以达到37微米。并且，他们移动火鸡的踝关节时，可以在3毫秒内得到测量结果。
“我们希望MM能取代肌电信号，成为将神经系统与仿生肢体联系起来的主要方式，因为我们可以利用MM获得更高质量的信号。 ”论文作者之一HughHerr说。
为了让截肢者控制假肢，这些测量结果会被输入到计算机模型中。该模型根据截肢者剩余肌肉的收缩情况来预测其希望进行的动作。这种策略引导假肢按照截肢者希望的方式来移动，与他们想象中的肢体位置相匹配。
HughHerr说：“通过MM ，我们可以直接测量肌肉收缩的长度和收缩速度。然后通过我们对肢体的数学建模，可以计算出要控制的假肢的目标位置和需要移动的速度，只需要一个简单的机器人控制器就可以控制这些关节。 ”

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▲通过测量肌肉收缩控制假肢动作
三、小磁珠一次植入终生有效，还能帮中风患者恢复行动
研究人员称接下来的研究将围绕膝盖以下截肢的患者开展，另外他们还设想将用于控制假肢的传感器固定在衣服、皮肤表面或假肢的外部。