磁显微法,义肢从此得到精准控制

麻省理工学院的研究人员研发出一种更快速精确控制义肢的方法:磁显微法,采用磁珠搭配传感器代替肌电测量,识别用户的意图,完成对义肢的控制。

2022年06月24日



对于使用义肢的患者来说,最大的挑战之一是控制义肢,使其像正常肢体一样活动。目前大多数义肢是用肌电图进行控制,通过贴在皮肤表面或是植入肌肉的电极,对肌肉进行电测量,记录肌肉电信号,但这种方法对义肢的控制相对有限。

麻省理工学院的研究人员研发出一种更快速精确控制义肢的方法:磁显微法(Magnetomicrometry),采用磁珠搭配传感器代替肌电测量,识别用户的意图,完成对义肢的控制。

参与此研究的研究员Cameron Taylor表示:“当你使用肌电图来控制义肢时,你监测到的其实只是中间信号,它表示的是大脑告诉肌肉要去做什么,并不是肌肉实际在做什么。”

研究人员将成对的小磁珠植入残肢,通过置于残肢外部的传感器来监测每块肌肉中两个磁珠之间的距离如何变化。通过这种方式,可以即时监测到每块肌肉的拉伸或收缩运动及其速度,从而快速地操控义肢做出反应。

在实验室测试中,一对直径3毫米的磁珠被植入火鸡的小腿肌肉中。当科学家手动移动火鸡的踝关节时,外部磁传感器能够在短短三毫秒内监测到,磁珠位置精确到37微米(大约人类头发的宽度)。

“通过磁显微法,我们直接测量肌肉的长度和速度,”另一位研究人员Hugh Herr说,“通过对整个肢体的数学建模,我们可以计算出要控制的义肢关节的目标位置和速度,然后一个简单的机器人控制器就可以控制这些关节。”

这项技术可能会改变我们与各种设备的交互方式。将磁珠植入受伤或无力的肌肉中,将肌肉的运动信号传递给外骨骼,从而为佩戴者无缝提供仿生助力,补偿肌肉力量。

磁显微法还有助于神经或脊髓损伤后的康复。传统的肌肉电刺激疗法无法精确传递大脑指令,可能引发肌肉不规则运动。植入磁显微系统,受影响肌肉的精确反馈可以传递到肌肉电刺激仪器,提供所需的精确控制,使肌肉恢复自然运动。

磁显微法的另一个优点是微创,研究人员表示,磁珠植入肌肉后,可以终生保持原位,无需更换。

这项技术将极大地改善神经控制,并有机会从根本上改善人机交互方式。研究人员将该技术发表在《Science Robotics》,预计在未来几年内在截肢患者身上进行测试。希望搭载磁显微法技术的义肢早日面世,为义肢使用者带来极大的便利!

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了解更多:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abg0656

https://news.mit.edu/2021/magnet-prosthetic-limb-control-0818

参考文献:

Taylor, C. R., Srinivasan, S. S., Yeon, S. H., O’Donnell, M. K., Roberts, T. J., & Herr, H. M. (2021). Magnetomicrometry. Science Robotics, 6(57), eabg0656.

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