微型肌肉让截肢者用他们的思想控制机器人手

打造一只美丽的机器人手是一回事。让它进行投标是另一回事。对于所有旨在在提示上弯曲每个复杂关节的手形假体，仍然存在如何从佩戴者的大脑发送提示的问题。

现在，研究人员通过利用手臂神经的信号，使被截肢者只需考虑其预期的手指运动即可精确地控制机器人手。该界面依靠一组微小的肌肉移植物来放大用户的神经信号，该界面刚刚通过了人类的首次测试：它将这些信号转化为运动，并且其准确性随着时间的推移保持稳定。

犹他大学的神经工程师格雷戈里·克拉克(Gregory Clark)说：“这确实是一项充满希望的工作，而且很可爱。”他没有参与这项研究。它“为更好的控制打开了新的机会。”

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当前大多数机器人假体的工作原理是：从皮肤表面记录截肢后留下的完整肌肉的电信号。一些截肢者可以通过收缩留在前臂中的肌肉来引导他们的人造手，而这会控制他们的手指。如果这些肌肉丢失了，人们可以学会使用不太直观的动作，例如上臂弯曲肌肉。

但是，这些设置可能很挑剔。当人的手臂在假体的插孔中出汗，肿胀或打滑时，电信号就会改变。麻省理工学院的生物医学工程师Shriya Srinivasan说，结果是，必须一遍又一遍地重新校准设备，许多人认为不宜整天戴着笨重的机械臂。

但是，还有另一种方法可以利用一个人的预期动作：通过聆听将大脑的命令传递到手臂的神经。直接植入这些神经中的电线可以捕获电信号以控制假体。但是信号微弱，细神经纤维相对于记录电极的微小运动会改变或掩盖神经的微妙信息。

因此研究人员试图通过将神经信号连接到肌肉来增强神经信号。一些人将神经从手臂重新布线到胸部肌肉，并在人们通过考虑移动手部收缩肌肉时获得了强烈的电信号。

但是，外科医生必须去除胸部现有的一些神经，才能采用新的神经。正如克拉克(Clark)所说，“停车场只能容纳一辆汽车。”这意味着该程序可能会损害某些截肢者用来移动其剩余上臂的肌肉。

大约10年以来，由密歇根大学(UM)安娜堡分校的整形外科医生Paul Cederna领导的团队一直在开发另一种方法：给神经提供自己的新小肌肉。研究人员从手臂的每条主要神经中分离出纤维束，并将每束纤维包裹在一块大体上类似于纸夹大小的肌肉组织中，通常从大腿上收获。该过程基本上在一个人的前臂或二头肌内部创建了一组新的手指肌肉。

由于以这种方式包裹神经还可以减轻截肢后常见的某些类型的疼痛，因此数百人已经接受了这种手术，但是却没有可以从肌肉记录下来以控制假体的金属丝植入物。在今天进行的《科学转化医学》的一项新研究中，Cederna和UM神经工程师Cynthia Chestek描述了该控制步骤的首次测试。

研究人员报告说，在三名已经在手臂上不同部位截肢的参与者中，已经植入了肌肉植入物，通过肌肉植入物附近的皮肤插入电线可以很容易地拾取其电信号。甚至在肩膀附近截肢时，计算机仍可以解释哪些细微的肌肉在收缩，以及收缩多少，以隔离不同的预期运动，例如，食指与拇指的弯曲。

“他们用这些小小的肌肉移植物获得的隔离确实非常出色，” Clark说。

两名参与者(均在手腕处截肢)选择了长期电极植入物，从而可以进一步测试他们的手部控制。使用“学习”到可以将电信号转换为预期动作的计算机算法，参与者可以在计算机屏幕上提示虚拟手以指示线索上的五个位置。当控制市售的假肢LUKE手臂时，两个参与者都可以将拇指移动到精确的空间目标上，并捡起并堆叠一组小木块。

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