麻省理工學院的一組研究人員開發了一種監測肌肉運動的創新方法。據該團隊稱，這個新系統將使人們更容易控制假肢和其他可穿戴機器人設備。

兩篇研究論文發表在《生物工程與生物技術前沿》雜志上。

基于磁鐵的系統被證明是高度準確和安全的，它可以在運動過程中跟蹤肌肉的長度。該團隊對動物進行了研究，并證明該策略可用于幫助使用假肢裝置的人以更自然的方式控制它們。

Cameron Taylor 是麻省理工學院的研究科學家，也是該研究的共同主要作者。

“這些最近的結果表明，這種工具可以在實驗室外用于跟蹤自然活動期間的肌肉運動，并且它們還表明磁性植入物是穩定的和生物相容的，并且它們不會引起不適，”泰勒說。

在自然運動中測量肌肉

研究表明，當火雞進行跑步和跳躍等各種自然運動時，他們可以準確測量小腿肌肉的長度。他們用小磁珠測量了這些，證明這些磁珠在植入肌肉后不會引起炎癥或其他不良反應。

Hugh Herr 是媒體藝術與科學教授、麻省理工學院 K. Lisa Yang 仿生學中心的聯合主任，也是麻省理工學院麥戈文腦研究所的準成員。

“我對這項新技術的臨床潛力感到非常興奮，它可以改善仿生肢體對肢體喪失患者的控制和功效，”Herr 說。

當前的動力假肢通常通過稱為表面肌電圖 (EMG) 的方法進行控制。在這種方法中，附著在皮膚表面或植入截肢殘肢肌肉中的電極能夠測量來自個體肌肉的電信號。然后將這些測量值輸入假肢以幫助人們控制它。

EMG 方法有一些局限性。一方面，它沒有考慮任何關于肌肉長度或速度的信息，這兩者都可以使假肢運動更加準確。

磁顯微測量策略

麻省理工學院團隊的策略依賴于一種稱為磁顯微測量的方法，該方法利用植入肌肉的小珠子周圍的永久磁場。一個小型傳感器連接到身體外部，系統可以跟蹤兩個磁鐵之間的距離。當肌肉收縮時，磁鐵會靠得更近，而當肌肉彎曲時，磁鐵會分開得更遠。

研究人員證明，該系統可以在非實驗室環境中準確測量自然運動。他們通過首先創建一個火雞可以攀爬的斜坡障礙路線來實現這一目標。他們還為火雞搭建了跳上跳下的盒子。借助磁傳感器，該團隊可以跟蹤活動期間的肌肉運動，他們得出結論，該系統可以在不到一毫秒的時間內計算出肌肉長度。

新系統比依賴大型 X 射線設備的傳統方法效率更高。

“我們能夠使用更小的便攜式包裝為房間大小的 X 射線設備提供肌肉長度跟蹤功能，并且我們能夠連續收集數據，而不是僅限于 10 秒的爆發。熒光顯微鏡僅限于，”泰勒說。

沒有負面或有害影響

在與該研究相關的第二項研究中，研究小組發現磁鐵不會產生組織疤痕、炎癥或其他有害影響。它還表明植入的磁鐵不會對火雞造成任何不適。

植入物被證明可以保持穩定八個月，只要它們相距至少 3 厘米，它們就不會相互遷移。

“磁鐵不需要外部電源，在將它們植入肌肉后，它們可以在患者的整個生命周期內保持其磁場的全部強度，”泰勒說。

研究人員現在將尋求獲得 FDA 的批準，以在人體中測試該系統。

“這項技術滿足需求的地方是將這些肌肉長度和速度傳達給可穿戴機器人，以便機器人可以與人類協同工作，”泰勒說。“我們希望磁顯微測量技術能夠讓人們以與控制自己肢體相同的舒適度和輕松程度來控制可穿戴機器人。”