麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种新的仿生膝盖，可以帮助膝上截肢者比传统假肢更快地行走、爬楼梯，并更轻松地跨越障碍。这项研究发表在《科学》（Science）杂志上。
与残肢嵌入套筒的传统假肢不同，新系统直接与用户的肌肉和骨组织结合。这不仅提供了更高的稳定性，还让用户对假肢的运动拥有更多控制。
在一项小型临床研究中，参与者报告称，与传统膝上截肢患者相比，这种新假肢让他们感觉更像是自己身体的一部分。
“一种组织整合的假肢——固定在骨骼上，并由神经系统直接控制——不仅仅是一个无生命的独立设备，而是一个与人体生理机制精心整合的系统，提供了更高水平的假肢‘身体认同感’。它不仅是一个人类使用的工具，而是自我的一部分。”麻省理工学院媒体艺术与科学教授、麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联合主任、麦戈文脑科学研究所副成员、该研究资深作者Hugh Herr表示。
该论文的第一作者为Tony Shu博士。
更好的控制
在过去的几年里，Herr的实验室一直在研究新的假肢技术，这些技术可以从截肢后残留的肌肉中提取神经信息，并利用这些信息来引导假肢运动。
在传统截肢手术中，成对交替伸展和收缩的肌肉通常会被切断，破坏了肌肉正常的拮抗关系。这种破坏使得神经系统难以感知肌肉的位置和收缩速度。
Herr和他的同事开发了一种新的手术方法，称为拮抗肌-神经肌肉接口（Agonist-Antagonist Myoneuronal Interface，简称AMI），在手术中将肌肉对重新连接，使其在残肢内仍能动态沟通。
这种感官反馈帮助假肢佩戴者决定如何移动肢体，同时也产生电信号，用于控制假肢。
在2024年的一项研究中，研究人员发现接受AMI手术的膝下截肢者比接受传统膝下截肢手术的人行走更快，绕过障碍物也更自然。
在新研究中，研究人员将这种方法扩展到膝上截肢者。他们希望创建一个不仅能通过AMI读取肌肉信号，还能整合到骨骼中，提供更高稳定性与更好感官反馈的系统。
为了实现这一目标，研究人员开发了一种程序，在截肢部位的残余股骨中植入一根钛棒。这种植入物比传统假肢提供了更好的机械控制和承重能力。此外，植入物内含16根导线，从体内的AMI肌肉上的电极收集信息，从而更准确地转导来自肌肉的信号。
这种骨整合系统被称为e-OPRA，它将AMI信号传输给专为此研究开发的新机器人控制器。控制器利用这些信息计算出用户希望移动假肢所需的扭矩。
“所有部件协同工作，以更好地将信息输入和输出身体，并更好地与设备进行机械接口。”Shu表示。
“我们直接对骨骼施加负荷，这是本应承受负荷的身体部分，而不是使用套筒，后者不仅令人不适，还可能导致频繁的皮肤感染。”
在这项研究中，两名受试者接受了AMI与e-OPRA系统的联合植入，称为骨整合机械神经假体（Osseointegrated Mechanoneural Prosthesis，简称OMP）。
这些用户与8名仅接受AMI手术但未植入e-OPRA的用户，以及7名既未接受AMI也未植入e-OPRA的用户进行了比较。所有受试者都使用了实验室开发的实验性动力膝盖假肢。
研究人员测量了参与者完成几类任务的能力，包括将膝盖弯曲到指定角度、爬楼梯以及跨越障碍物。
在大多数任务中，使用OMP系统的用户表现优于仅接受AMI手术但未植入e-OPRA的用户，且远优于使用传统假肢的用户。
身体认同感
除了测试步态和其他运动能力外，研究人员还设计了一些问题，以评估参与者对假肢的“身体认同感”——即他们的假肢在多大程度上感觉像自己身体的一部分。
问题包括患者是否觉得自己有两条腿、是否觉得假肢是身体的一部分，以及是否感觉自己对假肢有控制感。每个问题旨在评估参与者对设备的“代理感”、“所有权”以及“身体表征”。
研究人员发现，随着研究的进行，两名接受OMP系统的参与者在“代理感”和“所有权”方面的提升明显高于其他受试者。
“这篇论文的另一个重要意义在于，它探讨了这种身体认同的问题，并显示了这种感觉的显著改善。”Herr表示。
“无论你把机器人假肢的AI系统做得多么先进，它对用户来说仍然只是一个工具，像一个外部设备。但通过这种组织整合的方法，当你问用户‘你的身体是什么’时，整合程度越高，他们就越倾向于认为假肢是自我的一部分。”
目前，AMI手术已在布里格姆妇女医院（Brigham and Women's Hospital）常规用于膝下截肢患者，Herr预计这种手术也将成为膝上截肢的标准方法。
而联合OMP系统需要进行更大规模的临床试验才能获得美国食品药品监督管理局（FDA）的商业使用批准，Herr预计这可能需要大约五年时间。
更多信息：Tony Shu et al, Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv3223. www.science.org/doi/10.1126/science.adv3223
期刊信息：Science
提供单位：麻省理工学院
此故事经许可转载自MIT新闻（web.mit.edu/newsoffice/），这是一个报道麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。
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