“仿生”这个词让人想起科幻小说中的人类提升到超人水平的景象。确实，更好的电机和电池等工程进步以及现代计算，意味着所需的机械和电子系统不再是先进假肢的障碍。但该领域一直在努力将这些强大的机器与人体结合起来。
这种情况开始改变。最近的一项试验测试了一种新的整合技术，该技术涉及通过手术重建肌肉对，让接受者感受到仿生肢体的位置和运动。来自这些肌肉的信号控制机器人关节，因此假肢完全受用户大脑的控制。系统使膝盖以下截肢的人能够更自然地行走研究人员在 7 月报告称，可以更好地穿越斜坡、楼梯和障碍物自然医学。
生物工程师泰勒·克利特斯 (Tyler Clites) 表示，工程师通常将生物学视为需要通过工程解决的固定限制。几年前帮助开发了这项技术在麻省理工学院期间。 “但如果我们将身体视为待设计系统的一部分，与机器并行，两者将能够更好地互动。”
这种观点正在推动一波重新设计身体以更好地与机器融合的技术浪潮。现就职于加州大学洛杉矶分校的克莱特斯将此类技术称为“解剖学”它们与传统仿生学的区别。 “我们要解决的问题不是工程问题，”他说。 “截肢期间操纵身体的方式并不能使其能够控制我们正在创造的肢体。”
在解剖学方法中，利用骨骼来提供稳定的锚点；神经被重新路由以产生机器人肢体的控制信号或传输感觉反馈；肌肉被选为生物放大器或移植到适当的位置以提供更多信号源。这些技术都改善了机器人肢体和人类神经系统之间的连接和沟通，(序列号: 2/9/24）。
基于解剖学的设备走出实验室并进入商业和临床领域的速度缓慢。但有人说，这个领域正在让我们更接近无缝集成、大脑控制的仿生肢体的科幻愿景——尤其是随着更多进展即将到来。
下面详细介绍了研究人员如何将身体与机器结合起来。
重建肌肉
本体感觉——身体在空间中对自身的意识——是一种很难恢复的感觉，但是(序列号：2019 年 9 月 9 日）。肌肉向我们的大脑发送有关我们的身体在哪里、如何移动以及遇到什么力的信号。这些信号主要由称为激动剂-拮抗剂对的耦合肌肉产生，其中一个肌肉收缩，另一个伸展。
在传统的截肢术中，这种重要的反馈被丢弃。但七月份的研究中报道的这项技术被称为激动剂-拮抗剂肌神经接口（AMI），通过手术重建这些推拉对，并使用它们产生的信号来控制假肢关节。该程序使接受者能够“感觉”他们的假肢。
“当假肢移动时，人们实际上会感觉到这种运动是一种自然的本体感觉，”麻省理工学院的仿生学家 Hugh Herr 说道，他与 Clites 和团队的外科医生 Matthew Carty 一起开发了这项技术。
最近的研究是 Herr 及其同事正在进行的一项临床试验的一部分，该试验在 14 名膝下截肢患者身上测试了该技术。七名参与者接受了 AMI 手术，其他人则接受了标准截肢。研究人员发现，基于 AMI 系统的接受者的步行速度提高了约 40%，从每秒 1.26 米提高到每秒 1.78 米，这一速度与没有截肢的人相当。
延长骨骼
假肢使用者最常见的抱怨是疼痛和不适。不适的一个主要来源是附着点。
“假肢使用中的许多问题都与接受腔有关，”安娜堡密歇根大学的生物工程师辛迪·切斯特克 (Cindy Chestek) 说。松软的肉不适合将负荷转移到身体的特定部位——骨骼。由此产生的压力会导致组织损伤，并且总是会造成不适，有时会导致用户放弃他们的设备。
一种称为骨整合的技术利用了某些金属与骨骼结合的事实。插入骨架的钛螺栓将假肢固定到位，提供更大的强度、稳定性和舒适度。 “我们拥有骨骼是有原因的，”切斯特克说。
该手术于 1990 年首次实施，但直到过去十年才被广泛接受并应用于临床。一种名为 OPRA 的植入系统于 2020 年获得美国食品和药物管理局的批准。主要缺点是钛螺栓必须穿过皮肤，形成永久性孔，存在感染风险。 “除了感染风险之外，骨整合在各个方面都更好，”切斯特克说。
重新安排神经
仿生学家长期以来一直试图利用人体的神经来制造与大脑通讯的假肢。但早期的努力令人沮丧，主要是因为神经传递的信号非常微弱。
“几十年来，人们一直试图通过将一根电线放入神经中来获取有意义的信号，”切斯特克说。 “直到今天，在受控的实验室环境之外这几乎是不可能的。”
现代仿生假肢主要通过肌肉进行交流。当被神经激活时，肌肉会发出更大的电信号，这些电信号可以被皮肤上的电极接收，然后控制假肢。
但之前负责操作部分缺失肢体的神经——并且同样可以有效地操作假肢——通常不会最终形成肌肉。它们无处可去，从而产生神经瘤，神经末端的灯泡，其电“火花”会引起疼痛。
一种称为定向肌肉神经支配（TMR）的手术可以解决这个问题。外科医生剥去肌肉的天然神经，并将切断的神经重新布线到这片新清理的地面上。随着时间的推移，改变路线的神经会长成肌肉，充当放大器，产生所需的控制信号源。 “你把神经记录问题变成了肌肉记录问题，”切斯特克说。 “肌肉记录很容易。”该手术还可以治疗神经瘤疼痛——这是经常进行的目的。
缺点是 TMR 会蚕食现有的肌肉，从而限制了可以产生的信号数量。 “你很快就会耗尽房地产，”切斯特克说。这对于膝盖或肘部以上的截肢尤其重要，因为那里剩余的肌肉较少，需要控制的假肢关节较多。
一种新技术，被称为再生周围神经接口或 RPNI，通过手术插入从其他地方取出的小肌肉移植物，并将神经重新路由到这些移植物。切斯特克说，外科医生可以将这些神经束解剖成其组成纤维，以利用新移植的目标，从而使研究人员能够根据需要产生尽可能多的信号。
然而，肌肉移植物的尺寸较小，因此很难使用表面电极从中获取信号。 “你无法轻易地通过皮肤记录三厘米长的肌肉的[电信号]，”切斯特克说。 “你必须使用植入电极。”这是更具侵入性的，并且植入物面临监管障碍，但植入的电极会产生更高质量的信号。只需要以某种方式接近它们，因为在实验室研究之外将电线穿过皮肤是不可行的。
一些研究人员正在研究无线系统，但另一种解决方案是将 RPNI 与骨整合相结合。在这种设置中，植入电极和假体之间的电线只需穿过钛螺栓即可。去年发表的一项研究描述了使用这种方法的肘部上方仿生手臂这使得接收者能够控制他的机器人手的每一个手指。
重建身体
在加州大学洛杉矶分校的解剖学实验室，克莱特斯说：“我已经与外科医生在不同的项目上进行了九到十次积极的合作。”在这里，他和他的团队使用尸体来测试想法并收集数据。 “我们将把尸体四肢安装到机械臂上，并评估我们正在开发的系统，以确保它们按预期工作，”克莱特说。 “这是我们工作的支柱。”
正在开发的项目之一是一种新的附着方法避免骨整合带来的永久性孔洞。假肢中没有钛螺栓，而是一块钢，假肢插座中有一块电磁铁。 “磁铁将[插座]固定在肢体上，”克莱特说，“然后你可以通过改变通过电磁体的电流来控制吸引力的大小。”插座不必承受负载；磁力就完成了这项工作，它根据需要随时变化，例如步行与站立。
在麻省理工学院，赫尔也在研究一项新的进展。最近基于 AMI 的仿生腿试验使用皮肤上的电极将信号从肌肉传输到假肢关节。但表面电极也有缺点，例如移动会导致信号失真。这项新技术——称为磁测微法——涉及将磁球放入肌肉内并用磁力计监测它们的运动。 “有了这些磁铁，”赫尔说，“我们可以测量我们关心的东西，并用它来直接控制仿生假肢。”他说，商业产品将在大约五年内问世。
对于先生来说，这种进步是个人的。 42年前的一次登山事故中，他的双腿膝盖以下被截肢。他正在考虑在未来几年升级到基于 AMI 的仿生腿假肢。一旦这些技术完善，他预计将会实现飞跃。 “当你将 AMI 和 RPNI 等外科技术与磁测微术等技术结合起来时，我们相信一切都会结束，”Herr 说道。 “我们相信将会出现好莱坞版的大脑控制机器人肢体。”
恢复本体感觉的另一个好处是，是它让接受者感觉假肢更像是他们自己的一部分（序列号：4/22/21）。 “该领域的目标是，当我们进行机器人重建时，人们会说，‘天哪，你把我的身体还给了我。’”赫尔说。 “我们不再给他们一个机器人工具，而是给他们一个完整的肢体。这个领域非常接近这个目标。”
