Science正刊：麻省理工學院Hugh Herr 教授成為仿生時代領導者！

來源：高分子科學前沿

新型仿生膝蓋恢復動態運動！下肢假肢的機械設計不斷演進，其核心在于提升周期性運動能力。然而，這種有限的肢體修復方法阻礙了恢復構成人類運動能力剩余部分的多功能非周期性運動的必要進展。

鑒于此，麻省理工學院Hugh Herr 教授（通訊作者）與Tony Shu（第一作者兼通訊）提出了一種骨整合的機械神經假肢，其神經嵌入設計融合了改良的硬組織和軟組織以及永久植入的硬件。他們開發了一種神經肌肉信號與關節運動之間的仿生耦合，其多功能性超越了現有的控制方法，這些方法依賴于傳統的截肢肌肉和表面肌電圖。研究結果還表明，卓越的殘余神經肌肉功能可以使假肢的運動速度超越完整的生理速度。解剖假肢整合可能是達到甚至超越完整肢體運動能力的必要條件。相關研究成果以題為“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”發表在最新一期《science》上。

Tony Shu是麻省理工學院的研究生。他擁有佐治亞理工學院材料科學與工程學士學位，輔修計算機與人工智能。本科期間，Tony 的研究領域涵蓋可生物降解納米復合材料合成、高溫合金增材制造以及股骨假體控制。他目前的研究利用生物力學模型，通過人體自身信號實現對外部設備的直觀控制。

Hugh Herr，1964年10月出生于美國賓夕法尼亞州的蘭卡斯特，家里有5個孩子，他是最小的一個，自學習攀巖開始，就展現出了異于常人的天賦。7歲開始攀巖，8歲就成功登頂了加拿大班夫國家公園3544米的落基山脈，17歲被認為是美國最好的攀巖運動員之一。年輕時，他在一次攀巖旅行中遭遇突如其來的暴風雪，導致雙腿膝蓋以下截肢。

在研制假肢的過程中，一向對學習毫不在乎的赫爾迷上了物理學，因為這是設計假肢的基礎。他開始查閱大量的資料，甚至閱讀之前絕不會涉及的學術類論文。他嘗試了各種材料，橡膠，纖維玻璃、木頭……赫爾一次次研究改進自己的假肢。從最開始的基礎改進，到慢慢從生物學、機械工程、人體力學的角度開始設計。他去米勒斯維爾大學攻讀了物理學本科學位，然后在麻省理工學院(MIT)攻讀機械工程碩士學位，隨后又在哈佛大學攻讀生物物理學博士學位，之后重返MIT繼續研究，領導生物機電一體化研究小組，并共同領導 K. Lisa Yang 仿生中心。Herr 擁有多項專利，包括計算機控制的人工膝關節、市場上可買到的主動踝足矯形器 Rheo Knee，以及世界上第一款動力踝足假肢。

30年來，他在康復科學領域發表了120多篇論文，擁有100多項專利，他的設計多次被《時代》雜志評為年度發明，并被稱為“仿生時代領導者”。

設計

作者首先勾勒出OMP的三層架構（圖1）：來自中樞神經的運動意圖經肌肉電信號傳至控制算法，實時計算并驅動動力膝關節輸出扭矩；同時，骨整合植體的中央通道為電纜與能量供應提供保護，消除了傳統假體套筒對皮膚-電極界面的干擾。示意圖和術后影像展示了從第一次植入骨內固定件，到二期將電極線纜引出并連接外置膝關節的時間線，使讀者直觀了解“機-骨-肉”縱向貫通的全過程。

圖 1. 通過垂直整合的仿生截肢平臺促進信息和能量交換

作者聚焦于軟組織層面的“肌-肌”耦合。通過將殘余股直肌與股二頭肌重建為拮抗對，作者記錄到在幻肢膝關節主動屈伸時，伸肌收縮會同步拉伸屈肌，從而顯著增強來自肌梭的本體感覺信號。量化分析顯示，擁有拮抗結構的受試者，其模擬二型肌梭放電率遠高于傳統殘肢，證明這種組織工程手段能為大腦提供更清晰的關節位置反饋，奠定精細控制基礎。

圖 2. 激動劑-拮抗劑結構增強了與幻肢膝運動相關的本體感受反饋

性能

圖 3進一步證明軟硬件協同對控制精度的提升。在無視覺反饋的自由-空間定位任務中，骨整合+肌內電極組能在低-中等伸展角度間輸出更可區分的肌電信息；當加入視覺反饋驅動真實機械膝關節時，他們在目標角度追蹤誤差上依舊明顯優于表面電極對照組。節奏加速試驗則顯示，拮抗-肌內電極構型可使假膝循環頻率超過健側生理極限，揭示“削弱慣性+增強感覺”帶來的超生理潛能。

圖 3. 通過軟組織和硬組織增強，最大限度地實現假肢膝關節的控制

步行實驗表明，直驅膝關節能補償假體慣性，實現與健側接近的擺動動力學，且兩名受試者術后使用動力膝的最高行走速度達到或超過術前被動膝水平。在坐-立轉換中，他們無需扶手即可完成動作，并在地面反作用力分布上呈現更佳的雙側對稱性，說明新平臺不僅恢復力量輸出，也改善了整體姿態控制。

圖 4. OMP 促進人類的基本運動

多模態任務

作者將評估場景拓展至多樣化、高動態的任務（圖5）。靜態障礙穿越中，骨整合組幾乎零失誤，而傳統套筒用戶因沖擊偽影導致肌電失真、膝關節誤動作頻發。樓梯測試顯示，即便受限于70 N·m的植體安全扭矩，受試者仍能用“步-步”模式升級為“跨-步”上下樓；在跑步機高速行走并隨機躲避泡沫方塊時，骨整合組能持續、快速屈膝，而被動膝用戶不得不通過髖關節外擺迂回，凸顯解剖融合對真實場景靈活性的貢獻。

圖 5. 關節運動的物理實現產生了多種行為

作者進一步從主觀維度量化了“化身感”（圖6）。在每輪實驗后填寫的問卷顯示，骨整合組在“所有權”和“能動性”兩項上顯著高于傳統組，并在樓梯任務后整體化身感提升最為明顯。研究者指出，高保真信號、骨性力傳遞以及幻肢-機械動作的實時映射，共同塑造了這種“假肢即自體”體驗，為未來評估截肢手術設計和假肢選型提供了新的自我感知指標。

圖 6. OMP 在具體化和仿生性能方面取得了巨大的進步

總結

作者提出并驗證了一種“骨整合-機神融合假肢平臺”（Osseointegrated Mechanoneural Prosthesis, OMP）。該平臺在股骨內植入鈦合金骨整合植體，重建股二頭肌與股直肌的拮抗-協同結構，并在肌肉內長期埋置電極，實現三層功能：①直接、連續地由肌電驅動仿生膝關節的屈伸；②通過骨整合植體建立穩固的信息與能量雙向通路；③恢復接近生理水平的本體感覺。兩名既有大腿截肢者經改造后，在障礙規避、步態速度與自我歸屬感等多項指標上均顯著優于對照組，顯示高度解剖融合可帶來超越健側的運動潛力，并提升假肢“身體現感”。

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