MIT仿生假肢宗师Hugh Herr研发磁微测量法，几毫秒内就可将反馈递送给假肢
2021-10-03
MIT仿生腿專家休·赫尔在17岁时的一次攀岩中，因遭遇冻伤下肢被迫截肢。但他认为只有技术才会有残缺，人类身体永远不会“残缺”。
休·赫尔自制的或高或低的假肢
正在制作假肢的休·赫尔
一开始他使用金属材料来为自己制作假肢，但造出来的假肢的长度不是太长、就是太短。后来，他制造的假肢愈发成熟，最终再次实现攀岩。
就这样，靠着金属和木头，他再次实现攀岩梦想。
即使失去双腿，学业却丝毫没有落下，他曾开玩笑说，截肢前考试成绩经常得D或F，截肢后头脑好像更聪明了。日后，其本科毕业于宾夕法尼亚米勒斯维尔大学物理学专业，并在MIT获得机械工程硕士学位，随后拿到哈佛大学生物物理学博士学位。
目前他是MIT媒体实验室的教授，也是该校生物机电一体化研究小组的主任。截至2014年，他在TED的演讲视频至今已有1200多万播放量。
演讲现场的休·赫尔
演讲现场的休·赫尔
成为科学家之后的休·赫尔，不再满足于制作简单的假肢，而是决心通过技术制造出让残疾人佩戴更舒适的假肢。
第一个受益人当然是他自己，对比当初被截肢后躺在床上的落寞，如今他不仅拯救了自己，也帮助了更多像他一样的患者。
他和团队曾花费两百天，为一位在2013年波士顿马拉松恐怖袭击事件失去左下肢的舞蹈演员阿德里安娜·阿斯莱特一戴维斯定制假肢，并让对方得以重返舞台。在休·赫尔的TED演讲末尾，阿德里安娜戴上仿生腿跳了一支舞，全场观众全体起立鼓掌。
休·赫尔使用仿生腿前后对比
阿德里安娜戴上仿生腿跳舞
休·赫尔
此外，他还让一位在阿富汗战场中失去双腿的美国士兵，通过仿生腿可以重新奔跑。
数月之前，休·赫尔的助理表示，57岁的休·赫尔又要当父亲了。如今，仅隔数月之后，已发表一百多篇论文的他，再次公布其最新研究成果。
对于截肢患者而言，最大的挑战就是控制假肢，让假肢能像正常肢体一样运动。多数假肢采用肌电描记法来进行相应控制，这是一种记录肌肉电活动的方法，但该方法只能提供有限的控制能力。
而此次休·赫尔团队开发出一种名叫磁微测量法的新方法，其表示这能为假肢的运动提供更精确的控制。
具体来说，这种磁微测量法的原理是把小磁珠植入截肢残肢的肌肉组织，即可在肌肉收缩时精确测量肌肉的长度，几毫秒内就能把相关反馈传递给仿生假肢。相关论文以《磁显微法》为题发表在Science Robotics上。
相关论文
休·赫尔希望磁显微法能取代传统的肌电描记法，并成为连接外周神经系统和仿生四肢的主要控制方式。得出这样的分析，是因为他认为磁显微法具备毫米级的高信号控制质量，实现成本也很低，很有商业价值。
磁显微法的另一个优点是磁珠一旦植入肌肉，就能永久性稳定工作于肌肉当中，不需要更换。
加拿大安大略省金斯敦皇后大学机械与材料工程学院李庆国教授和休·赫尔相识多年，两人经常会在领域会议上见面，他表示该研究旨在解决传感问题，外骨骼和假肢控制的重点在于识别用户的运动意图，因此也需要一个“大脑”来传递信号，但是传统外骨骼和假肢没有高层次“大脑”来进行指挥和控制，它们和人体也是分离的，所以通过新的传感方法将其和人结合，是该项研究未来可以考虑发展的终点。
神经元控制肌肉的原理是，大脑给予肌肉信号，这时肌肉就会收缩，并产生一般的运动。健全人的腿部要运动时，大脑只要发出意识，肌肉就会启动收缩，腿部就会跟着运动。
休·赫尔希望这种信号能通过大脑传递到肌肉，但如果用外贴式的肌电传感器来进行测量，测量神经传导会很困难。不同以往，此次该团队是想直接测量肌肉的运动特性，通过植入小磁球，就能直接测量肌肉的运动特性，这样就无需再用外贴式肌电传感器来测量。
已在火鸡小腿上进行实验
当前的假肢是通过电极来对人体肌肉进行电测量，其中有两种方法，第一种是把电极连接到皮肤表面，第二种是通过手术植入肌肉。方法二不仅成本高，同时还得植入人体，但它能提供更精确的测量。
这两种方法的共同缺点在于，肌电图只能提供肌肉活动信息，而无法提供肌肉的长度或速度数据。
举例来说，当假肢用户基于肌电图进行控制时，只能看到一个中间信号，即只能看到大脑发给肌肉的指令，而无法看到肌肉的实际执行情况。
针对此他决定在肌肉中植入一对磁球，通过测量磁球的相对运动，就能算出肌肉收缩的程度和速度。
该想法始于他在两年前开发的一种算法，这种算法可大大减少传感器确定体内小磁球位置所需的时间。在该项研究中，该算法也帮助他克服了磁显微法控制假肢时的主要障碍，让测量结果得以实时接收。
实验中，休·赫尔还把磁球植入火鸡小腿肌肉中，以测试该算法的追踪能力。为了避免磁球植入肌肉组织后发生运动，他们将磁珠直径设为3毫米，植入时至少间隔3厘米。
当移动火鸡的踝关节时，他们能以大约一根头发的宽度（约37微米）的精度来确定磁球的位置，相关数据的测量可在3毫秒内完成。
把磁球植入火鸡小腿肌肉中
这些测量数据可被输入电脑主机当中以建立对应模型，根据其余肌肉的收缩情况，用户就能让假肢按照预期方式进行移动。磁显微法还可直接测量肌肉长度和肌肉速度。通过对整个肢体进行数学建模，即可计算出要控制的假肢关节的目标位置和速度。
李庆国分析称，电动的假肢很难识别用户意图，它一般使用外部信号来控制，比如位置传感器和肌电信号等。但这些信号都是外部信号，发生运动以后才能测到这些数据，测量之后仍需大量肌电处理。当运动状态发生改变时，肌电信号也会改变，这可以说这二者存在着耦合，因此在控制上的可靠性很低。
休·赫尔团队一直想让神经接到传感器上，而此次工作的优点在于，使用了表面传感器，并通过安装一块磁球来测量肌肉长度和运动变化，该方法不仅不会给患者带来创伤，而且只需放置一些磁球即可在肌肉上测出相应的数据，就能测量出患者的肌肉运动意图，而再加上机器学习算法以及生物机体建模，则有望实现较好的控制策略。
单个磁球的组织学研究
休·赫尔的中国学生如期回国发展，并已入职北航
未来，休·赫尔希望对膝盖以下截肢的患者开展一项研究，研究内容是把控制假肢的传感器放在衣服上，或者贴在皮肤表面，甚至贴在假肢外表面。
磁显微法还可通过一种被称为功能性电刺激的技术来改善肌肉控制，这种技术目前被用于帮助脊髓损伤患者恢复活动能力。磁控制的另一个潜在用途是引导机器人外骨骼，让它能连接到脚踝或其他关节上，以帮助中风患者或肌肉无力人群以进行运动。
休·赫尔说：“从本质上讲，磁球和外骨骼就像人工肌肉，可以放大中风受损肢体的生物肌肉输出”，“这就像汽车上使用的动力转向装置。”
磁场传感阵列
杨兴帮
但在未来仍有要攻克的难题，李庆国表示，由于很难去控制人类运动和机械运动之间的协同，因此把磁球固定在肌肉上并不容易，因为肌肉随时在动。正因为如此，该团队此次先以火鸡为实验对象，想应用在人体上仍需更多研究。
谈及该团队希望磁显微法可在未来取代肌电图，并成为将周围神经系统与仿生肢体联系起来的主要方式。对此李慶国评论称，这一想法的初衷是让外骨骼和假肢能跟人体实现通畅的联接。人和机器的连接，是所有人机交互接口类研究都想解决该问题，否则机器仍旧是机器，人依旧是人，两者之间没有共同协调。
肌电图的方法是基于大量数据分析，在测量超前信息上，肌电图方法具有一定优势，而且肌电图无需对人体有任何侵入。而磁显微法还要做手术，磁球位置在人体中也可能会变化，时间久了可能仍然需要重做手术，而这也是休·赫尔的挑战之一。但总体来看，肌电图法可以和磁显微法并存，并不一定要互相替换。
李庆国表示人类运动和机械运动之间的协同很难控制，因此把磁铁球固定在肌肉上也并不容易，因为肌肉随时在动，会造成磁铁球位置的漂移。正因此，休·赫尔团队此次先从火鸡做起，想在人体上仍然需要更多研究。可以说，处理磁铁球和人体肌肉的连接，是下一步该团队面临的挑战。
总体而言，休·赫尔团队的研究，正走在世界前沿。而此前采访过的北航博士毕业生杨兴帮，刚从其团队结束博后研究，并已经回国正式入职北航。
在MIT做博后期间，杨兴帮曾和休·赫尔合作发表过题为《可实现跖屈一背屈双向运动辅助的线缆驱动可携带式踝关节外骨骼》的论文。（摘自美《深科技》）（编辑/费勒萌）
