麻省理工學院的一個研究團隊開發出一種新的策略，可以更精確地控制假肢。微小的磁珠被植入肌肉組織后，可以準確測量肌肉收縮時的長度，并在幾毫秒內將測量結果傳遞給仿生假肢。 

對于穿戴假肢的截肢者來說，最大的挑戰之一是實現假肢的精確控制，以使其像自己本來的肢體一樣自然移動。大多數假肢使用肌電信號（EMG）進行控制，這是一種采集伴隨肌肉收縮動作產生的生物電信號的方法，但這種方法只是基于肌電信號來作出反應，而不是實際的肌肉變化，因而只能對假肢進行有限的控制。

麻省理工學院Media Lab的研究人員開發了一種新的替代方法，以更精確地控制假肢。將小磁珠植入殘肢的肌肉組織后，它們可以在肌肉收縮時精確測量肌肉的長度，并且可以在幾毫秒內將這種反饋傳遞給仿生假肢。

經過測試，研究人員發現利用這種方法傳感器最低可以感受到肌肉37微米的收縮，這個長度與人類頭發絲的直徑相當，并且信號延遲只有3毫秒，比傳統上利用肌電信號控制假肢的方法要更加精確。

該研究結果發表在《Science Robotics》雜志上，研究人員測試了他們稱為Magnetomicrometry（MM）的這種新策略，結果表明該方法可以為動物提供快速準確的肌肉測量。該研究團隊希望在未來幾年內在截肢患者身上測試這種方法。

“我們希望MM取代肌電信號，成為將周圍神經系統與仿生肢體聯系起來的主要方式。這是很有希望的一個方向，因為我們通過MM可以獲得高質量信號，而且這種方法是微創的，監管障礙和成本也較低。”麻省理工學院Media Lab生物機電一體化小組負責人Hugh Herr教授說。他也是該論文的主要作者之一。

精確測量

現有的假肢技術，主要使用電極獲得人體肌肉的肌電信號（EMG）。電極可以連接到皮膚表面，或通過手術將電極植入肌肉。后一種方法需要進行高度侵入性和昂貴的手術，但能提供更準確的測量。不過，在上述任何一種情況下，肌電信號都只提供有關肌肉電活動的信息，而不是它們的長度或速度。

“當你使用肌電信號控制假肢時，你得到的只是大腦告訴肌肉應該怎么做的信號，而不是肌肉的實際動作。”麻省理工學院博士后Cameron Taylor說。她是該研究的主要作者之一。

麻省理工學院的新策略正是基于這樣一個想法：如果傳感器可以測量肌肉正在做什么，那么將更精確地控制假肢。為了實現這一點，研究人員決定將成對的磁珠植入肌肉中。通過測量磁鐵相對于彼此的運動，研究人員可以計算肌肉收縮的程度和收縮速度。

兩年前，Herr和Taylor開發了一種算法，大大減少了傳感器確定植入體內的小磁珠位置所需的時間。這幫助他們克服了使用MM控制假肢的主要障礙之一，即此類測量的長滯后時間。

研究人員測試了他們的算法跟蹤植入火雞腿部肌肉中的磁珠的能力。他們使用的磁珠直徑為3毫米。植入的磁珠之間的距離至少為3厘米，因為如果它們離得比這個距離更近，磁鐵往往會相互移動。

研究人員使用放置在腿外側的一系列磁性傳感器，發現傳感器感知磁珠位置變化的精度可以達到37微米。他們移動火雞的踝關節，可以在三毫秒內獲得這些測量結果。

為了控制假肢，這些測量結果輸入到計算機模型中，該模型根據截肢者殘肢肌肉的收縮來預測患者希望進行的在空間中的位置。這種策略將引導假肢按照截肢者希望的方式來移動，與他們想象中的肢體位置相匹配。

“通過MM方法，我們可以直接測量肌肉收縮的長度和速度，”Herr說，“通過對整個肢體的數學建模，我們可以計算出要控制的假肢關節的目標位置和速度，然后再使用一個簡單的機器人控制器就可以控制這些關節。”

肌肉控制

研究人員希望在接下來的幾年內對膝蓋以下截肢的患者進行一項小型研究。他們設想將用于控制假肢的傳感器放置在衣服上、附著在皮膚表面或固定在假肢的外部。

MM還可用于通過被稱為功能性電刺激（functional electrical stimulation）的技術來改善肌肉控制，該技術現在用于幫助脊髓損傷患者恢復活動能力。MM的另一個可能用途是引導機械外骨骼，它可以連接到腳踝或其他關節，以幫助中風或其他類型肌無力患者。

“從本質上講，磁鐵和外骨骼充當人造肌肉，可以放大中風肢體中生物肌肉的輸出，”Herr說，“這就像汽車中使用的動力轉向系統。”

MM方法的另一個優點是微創。只需要一個很小的傷口就可以將小磁珠植入到肌肉中。Herr說，一旦植入肌肉，這些磁珠就可以終生保持原位而無需更換。