（來源：MIT News）

近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員宣布開發(fā)出一種新型仿生膝關(guān)節(jié)，可幫助膝上截肢者走得更快、爬樓梯更省力、躲避障礙物也更輕松，性能優(yōu)于傳統(tǒng)假肢。

與傳統(tǒng)假肢將殘肢插入接受腔不同，這套新系統(tǒng)直接與使用者的肌肉和骨組織整合。這樣不僅提高了穩(wěn)定性，還讓用戶對假肢動作擁有更強的控制能力。

在一項小規(guī)模臨床研究中，參與者普遍感覺這條“腿”更像自己身體的一部分，而傳統(tǒng)膝上截肢者難以獲得這種“身體歸屬感”。

相關(guān)文章以題為“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”發(fā)表在Science期刊。麻省理工學(xué)院 Hugh Herr 教授為通訊作者，他在一次攀巖旅行中遭遇暴風(fēng)雪，導(dǎo)致雙腿膝蓋以下截肢，博士生 Tony Shu 為第一作者兼通訊。

圖 | Hugh Herr

更精準(zhǔn)的控制

過去幾年，Herr 實驗室一直在開發(fā)新型假肢，能從截肢后殘留的肌群中提取神經(jīng)信號，并用這些信號來指引假肢運動。

傳統(tǒng)截肢手術(shù)通常會切斷成對的拮抗肌，使它們無法交替收縮與拉伸，破壞了肌肉之間天然的“拮抗—協(xié)同”關(guān)系。這種破壞讓神經(jīng)系統(tǒng)難以感知肌肉的位置和收縮速度。

Herr 團隊開發(fā)了一種名為拮抗肌-神經(jīng)接口（AMI） 的新術(shù)式：術(shù)中把原本成對的肌肉重新連接，使它們在殘肢內(nèi)仍能相互動態(tài)通信。這種本體感覺反饋幫助佩戴者決定如何移動假肢，同時產(chǎn)生可用來控制假肢的電信號。

2024 年的一項研究顯示，接受 AMI 手術(shù)的小腿截肢者行走速度更快、避障動作更自然，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)小腿截肢者。

在新研究中，團隊將 AMI 技術(shù)擴展到膝上截肢人群。他們希望系統(tǒng)不僅能通過 AMI 讀取肌肉信號，還能直接與骨骼整合，帶來更高穩(wěn)定性和更精準(zhǔn)的感覺反饋。

為此，研究人員設(shè)計了一種手術(shù)：在截肢端殘留的股骨內(nèi)植入鈦合金柄（e-OPRA）。該植入物比傳統(tǒng)接受腔提供更優(yōu)的機械控制與負(fù)重能力，同時內(nèi)置 16 根導(dǎo)線，采集體內(nèi) AMI 肌肉上的電極信號，實現(xiàn)更高保真的肌電轉(zhuǎn)導(dǎo)。

這套骨整合系統(tǒng)把 AMI 信號實時傳輸給專為本次研究開發(fā)的機器人控制器，后者據(jù)此計算用戶期望的膝關(guān)節(jié)力矩，驅(qū)動假肢完成動作。

“所有部件協(xié)同工作，使信息進出身體更順暢，與設(shè)備機械接口更自然?！盨hu 說，“我們把負(fù)荷直接交給本應(yīng)受力的骨骼，而不是擠壓軟組織，既不適又易感染?！?/p>

實驗中，兩位受試者接受了 AMI+e-OPRA 聯(lián)合系統(tǒng)，即“骨整合肌-神經(jīng)假肢”（OMP）。研究團隊將他們與僅做 AMI 手術(shù)的 8 人以及既無 AMI 也無 e-OPRA 的 7 人進行對比，所有受試者均試用了實驗室開發(fā)的實驗型動力膝假肢。

測試任務(wù)包括：精準(zhǔn)屈膝至指定角度、上下樓梯、跨越障礙。結(jié)果顯示，在大多數(shù)任務(wù)中，OMP 用戶表現(xiàn)優(yōu)于僅做 AMI 的受試者，更遠(yuǎn)超傳統(tǒng)假肢用戶。

范德堡大學(xué)機械工程教授、智能機電中心主任 Michael Goldfarb（未參與研究）評價道：“這篇論文實現(xiàn)了科學(xué)界長期以來的愿景——一條完全生理整合、可由意志控制的機器人腿。這項工作極其困難，作者們值得高度贊譽?！?/p>

身體歸屬感

除了評估步態(tài)與其他動作，研究團隊還設(shè)計了一系列問卷，專門衡量受試者對假肢的“身體歸屬感”——即他們把這條機械腿視為自身一部分的程度。

問卷問題包括：是否感覺自己仍有兩條腿？是否認(rèn)為假肢是身體的一部分？是否覺得自己能掌控假肢？每個問題都旨在評估受試者的“能動性”“設(shè)備歸屬”以及“身體表征”。

結(jié)果顯示，隨著實驗推進，兩名接受 OMP 系統(tǒng)的受試者在能動性和歸屬感的提升幅度上，遠(yuǎn)高于其他組。

Herr 指出：“這篇論文的另一大意義在于，它深入探討了身體歸屬問題，并顯示這種整合方式顯著增強了歸屬感。無論機器人假肢的 AI 系統(tǒng)多先進，如果只是外部工具，用戶始終覺得它是‘外物’。而采用組織整合方法后，當(dāng)你問使用者‘什么是你的身體’時，整合程度越高，他們越會說‘假肢就是我的一部分’?！?/p>

目前，AMI 手術(shù)已在 Brigham and Women’s Hospital 常規(guī)應(yīng)用于小腿截肢患者，Herr 預(yù)計很快也會成為大腿截肢的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式。而 OMP 復(fù)合系統(tǒng)仍需更大規(guī)模臨床試驗以獲得 FDA 批準(zhǔn)，這一過程預(yù)計需五年左右。

1.https://news.mit.edu/2025/bionic-knee-integrated-into-tissue-can-restore-natural-movement-0710