这款新型仿生膝关节正在改变小腿截肢者的游戏规则

生物力学家们创造出了一款革命性的仿生膝关节，能帮助截肢者实现惊人的活动范围。传统上，小腿假肢是一种外部设备。截肢者的残肢被固定在一个承窝里，然后连接上一个机械肢体。但现在，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种与患者骨骼和肌肉组织直接相连的假肢，感觉上更像是他们自己身体的一部分。

自2017年以来，由生物力学家休·赫尔（Hugh Herr）共同领导的麻省理工学院杨氏仿生中心（Yang Center for Bionics）的一个科学家团队，一直在致力于开发能与截肢者身体集成的、更先进的假肢。在上个月发表于《科学》（Science）杂志的一项新研究中，研究人员汇集了多项技术，创造出一种组织集成式膝上假肢，让人们能更好地控制自己的动作。

该研究的第一作者托尼·舒（Tony Shu）说：“我们实际上正在拓展假肢的定义，这就是为什么我们称其为组织集成式假肢。其中一部分，若非再次手术，你将永远无法取下。”

舒喜欢将这种新型假肢看作是三层结构的结晶。

第一层是神经肌肉层面。舒解释说，在一个健全的人体内，至少有两块肌肉相互对抗以移动一个关节，研究人员将这种关系称为“激动肌-拮抗肌”——即一块肌肉收缩时另一块肌肉伸展的现象。这种关系产生了本体感觉，也就是即使你闭上眼睛移动手肘，你也能知道手臂在空间中的位置。

在传统的截肢手术中，这种关系被破坏，被切断的肌肉仅被用作假肢承窝的衬垫，从而扰乱了人的控制感和本体感觉。然而，当通过手术重新连接被切断的肌肉时——研究人员称之为激动肌-拮抗肌肌神经接口（AMI）——肌肉之间自然的相互关系得以恢复。2024年，麻省理工学院的实验室表明，接受了这种特殊手术的膝下截肢者比传统截肢者有更好的控制能力。

这一次，赫尔的团队将这些进展又向前推进了一步，将该手术与新型假肢的第二层相结合。一根钛棒被植入截肢者的残骨中——在本案例中是膝盖以上的大腿骨——与传统的承窝相比，这能带来更佳的舒适度和更好的运动控制。这一附加部分也使得承重能力更强。过去，假肢会将压力施加在软组织而非骨骼上，给截肢者带来不适。舒解释说：“想象一下，整天在一个硬质碳纤维外壳里出汗，残肢在承窝里上下滑动摩擦。”

此外，导线连接到植入肌肉组织内的电极上。这些导线再连接到外部的机器人控制器，以帮助驱动假肢。

假肢的第三层是舒所说的“机电一体化层”，也就是直接连接到钛植入物上的机械肢体。根据舒的说法，这个机械肢体相对于集成到身体里的另外两层假肢而言，只是一个次要特征：“如果五年后有更好的腿问世，你可以升级，”舒说，“你可以用一个更快、更好的腿替换这个系统，而你仍然拥有所有的控制功能。”

研究人员与麻省总医院布里格姆分院（Mass General Brigham）的外科医生密切合作，在两名受试者身上测试了这种新设备。然后，将这两名受试者与八名仅接受了AMI手术的受试者以及七名既未接受手术也未使用骨整合系统的受试者进行了比较。

科学家们让所有受试者使用相同的膝关节假肢，然后测量他们完成某些任务的能力，比如上下楼梯和在行走时避开障碍物。研究团队发现，尤其是在更需要敏捷性的任务中，拥有全部三层假肢的两名受试者表现更佳。

除了测量患者控制假肢的能力外，研究人员还测量了他们的“具身感”（sense of embodiment）。简而言之，具身感包括感觉假肢是患者身体的一部分，以及个人对其拥有自主控制力——即假肢能执行个人意图完成的任务。

为了量化患者的具身感，研究人员分发了一份问卷，询问受试者是否感觉自己对假肢拥有自主力、所有权和控制权。接受了特殊手术和植入物系统的两名受试者报告的具身感水平明显更高。

“具身感对患者的幸福感至关重要，”舒说，并补充道，虽然这种现象已在上肢截肢者中得到研究，但在下肢截肢者中却被完全忽略了。“这是首批真正向下肢截肢者提问的研究之一：‘你对你的假肢感觉如何？’”

西北大学费恩伯格医学院（Feinberg School of Medicine）的假肢矫形师约翰·布林克曼（John Brinkmann）表示，麻省理工学院实验室的发现是在将设备与患者融合方面迈出的一步，并指出这类融合技术在下肢截肢者中远不常见。

但未参与该研究的布林克曼强调，成本可能是其更广泛商业应用的一大挑战，他解释说，患者在让保险覆盖传统假肢方面已经面临困难。

“此外还有医疗标准，”布林克曼说，“有些患者可能因为自身的健康状况而没有资格接受这类手术。”

克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）的感觉神经生理学家保罗·马拉斯科（Paul Marasco）也未参与此项研究，他认为，考虑这项新技术的患者还必须考虑恢复时间。他们需要权衡手术的侵入性和适应设备所需的时间，是否值得其在功能和具身感上的提升。

对马拉斯科而言，研究人员能够产生更强的自主感尤其令人兴奋。他说，这种自主感的增强与患者能够信任其假肢的程度直接相关。

华盛顿大学的生物力学家琼·桑德斯（Joan Sanders）也未参与该研究，她表示，过去几年里，研究人员一直在努力让神经系统更多地参与到假肢设备中，正如麻省理工学院的团队在这项新研究中所做的那样。她说，让心智更多参与的做法始于上肢患者，在下肢患者中才刚刚起步。

根据舒的说法，在假肢领域存在两种思想流派。一种是认为应该让假肢本身尽可能智能化——为其配备人工智能、传感器等，使假肢能够在很少的人类输入下“自主思考”。患者可以高水平地完成上楼和避障等功能，但舒表示，在这种方法中，具身感是缺失的。

另一派思想——舒和麻省理工学院的团队所信奉的——则更专注于将控制权还给人类，并创造出感觉更像身体一部分的假肢。舒说，这种融合对于释放人类最后5%的潜能至关重要——例如，让一个戴着假肢的人能从静止状态立即开始跳舞。

相关文章