赛博朋克向我们走来，训练生物电控制机器假肢
中原动力智能机器人2021-04-30 15:16
神经控制也许有一天能帮助病人通过思考来操作机器人假肢。现在研究人员发现，在物理治疗的帮助下，患者可以通过这种神经控制完成比科学家先前所知道的更多的任务。
在世界各地，研究小组正在开发下半身外骨骼来帮助人们行走。这些设备本质上是步行机器人，用户可以绑在腿上帮助他们移动。
这些外骨骼通常可以自动执行预先编程的循环运动，例如行走。然而，在帮助活动更复杂的患者方面，患者最好能通过思考来控制这些机器人假肢，例如，使用附着在腿部的传感器，可以检测从大脑发送到肌肉的生物电信号，让他们移动。
研究报告的资深作者、北卡罗莱纳州立大学的生物医学工程师Helen Huang说：“自主控制对于行走来说效果非常好，但当涉及到不仅仅是行走，比如打网球或自由式舞蹈时，拥有神经控制就更好了。”
当涉及到对机器人假肢的神经控制时，一个问题是病人的神经系统是否还能很好地激活截肢者留在肢体上的肌肉。
“在手术过程中，肌肉的原始结构发生了变化。”Huang说：“我们发现，人们可以激活这些剩余的肌肉，但收缩它们的方式与健全人不同，因此他们需要训练如何使用这些肌肉。”
在这项新的研究中，Huang和她的同事让一名截肢者与一名物理治疗师一起进行神经控制的动力假肢踝关节训练，练习典型假肢的挑战性任务。假肢接收到来自两个负责控制脚踝运动的小腿剩余肌肉的生物电信号。
受试者57岁，体重131公斤，截肢后3年，感染性休克为病因。为了研究的目的，参与者被安装了一个新的假肢接受腔。这种经胫骨窝的设计提供了更大的空间，在前后方向，同时仍然保持适当的配合，通过加载残肢的中外侧更沉重。与传统假肢接受腔设计相比，这种设计为残余TA和残余GAS肌肉提供了更大的收缩空间，增加了接受腔内残余肌肉收缩的舒适度，减少了残余肌肉疲劳。在日常生活中，参与者使用被动假肢进行家庭和社区活动。他能够在不需要辅助设备的情况下穿越环境障碍，并且能够独立完成日常任务，包括驾驶。在先前的一项研究中，与其他截肢患者相比，该参与者在控制具有剩余对抗性小腿肌肉的连续动态虚拟任务时表现出相对平均的任务表现。
经过训练，志愿者可以完成他以前觉得困难的各种任务。这些包括从坐到站，或蹲着从地上捡起东西，没有任何外部帮助，不需要身体其他部位的代偿运动。
此外，无论是站立还是移动，志愿者稳定性的改善都超出了预期。带下肢假肢的截肢者站立时的稳定性通常较差，因为机器很难预测任何干扰，也很难预测人可能预测和补偿这些干扰的方式。
“站立时的稳定性和微妙的控制是相当令人惊讶的。”该研究的主要作者，北卡罗来纳州立大学的生物医学工程师Aaron Fleming说。
研究人员现在的目标是用机器人假肢检查更多的病人，并用更多的任务来测试他们，比如躲避障碍物。他们还想调查这些志愿者的神经系统在这种训练中可能在做什么。
(源自IEEE Spectrum和Cambridge University Press 本文仅限于技术交流)
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