MIT仿生腿專家休·赫爾在17歲時(shí)的一次攀巖中，因遭遇凍傷下肢被迫截肢。但他認(rèn)為只有技術(shù)才會(huì)有殘缺，人類身體永遠(yuǎn)不會(huì)“殘缺”。

休·赫爾自制的或高或低的假肢

正在制作假肢的休·赫爾

一開始他使用金屬材料來為自己制作假肢，但造出來的假肢的長(zhǎng)度不是太長(zhǎng)、就是太短。后來，他制造的假肢愈發(fā)成熟，最終再次實(shí)現(xiàn)攀巖。

就這樣，靠著金屬和木頭，他再次實(shí)現(xiàn)攀巖夢(mèng)想。

即使失去雙腿，學(xué)業(yè)卻絲毫沒有落下，他曾開玩笑說，截肢前考試成績(jī)經(jīng)常得D或F，截肢后頭腦好像更聰明了。日后，其本科畢業(yè)于賓夕法尼亞米勒斯維爾大學(xué)物理學(xué)專業(yè)，并在MIT獲得機(jī)械工程碩士學(xué)位，隨后拿到哈佛大學(xué)生物物理學(xué)博士學(xué)位。

目前他是MIT媒體實(shí)驗(yàn)室的教授，也是該校生物機(jī)電一體化研究小組的主任。截至2014年，他在TED的演講視頻至今已有1200多萬播放量。

演講現(xiàn)場(chǎng)的休·赫爾

演講現(xiàn)場(chǎng)的休·赫爾

成為科學(xué)家之后的休·赫爾，不再滿足于制作簡(jiǎn)單的假肢，而是決心通過技術(shù)制造出讓殘疾人佩戴更舒適的假肢。

第一個(gè)受益人當(dāng)然是他自己，對(duì)比當(dāng)初被截肢后躺在床上的落寞，如今他不僅拯救了自己，也幫助了更多像他一樣的患者。

他和團(tuán)隊(duì)曾花費(fèi)兩百天，為一位在2013年波士頓馬拉松恐怖襲擊事件失去左下肢的舞蹈演員阿德里安娜·阿斯萊特一戴維斯定制假肢，并讓對(duì)方得以重返舞臺(tái)。在休·赫爾的TED演講末尾，阿德里安娜戴上仿生腿跳了一支舞，全場(chǎng)觀眾全體起立鼓掌。

休·赫爾使用仿生腿前后對(duì)比

阿德里安娜戴上仿生腿跳舞

休·赫爾

此外，他還讓一位在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)中失去雙腿的美國(guó)士兵，通過仿生腿可以重新奔跑。

數(shù)月之前，休·赫爾的助理表示，57歲的休·赫爾又要當(dāng)父親了。如今，僅隔數(shù)月之后，已發(fā)表一百多篇論文的他，再次公布其最新研究成果。

對(duì)于截肢患者而言，最大的挑戰(zhàn)就是控制假肢，讓假肢能像正常肢體一樣運(yùn)動(dòng)。多數(shù)假肢采用肌電描記法來進(jìn)行相應(yīng)控制，這是一種記錄肌肉電活動(dòng)的方法，但該方法只能提供有限的控制能力。

而此次休·赫爾團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種名叫磁微測(cè)量法的新方法，其表示這能為假肢的運(yùn)動(dòng)提供更精確的控制。

具體來說，這種磁微測(cè)量法的原理是把小磁珠植入截肢殘肢的肌肉組織，即可在肌肉收縮時(shí)精確測(cè)量肌肉的長(zhǎng)度，幾毫秒內(nèi)就能把相關(guān)反饋傳遞給仿生假肢。相關(guān)論文以《磁顯微法》為題發(fā)表在Science Robotics上。

相關(guān)論文

休·赫爾希望磁顯微法能取代傳統(tǒng)的肌電描記法，并成為連接外周神經(jīng)系統(tǒng)和仿生四肢的主要控制方式。得出這樣的分析，是因?yàn)樗J(rèn)為磁顯微法具備毫米級(jí)的高信號(hào)控制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)成本也很低，很有商業(yè)價(jià)值。

磁顯微法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是磁珠一旦植入肌肉，就能永久性穩(wěn)定工作于肌肉當(dāng)中，不需要更換。

加拿大安大略省金斯敦皇后大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院李慶國(guó)教授和休·赫爾相識(shí)多年，兩人經(jīng)常會(huì)在領(lǐng)域會(huì)議上見面，他表示該研究旨在解決傳感問題，外骨骼和假肢控制的重點(diǎn)在于識(shí)別用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，因此也需要一個(gè)“大腦”來傳遞信號(hào)，但是傳統(tǒng)外骨骼和假肢沒有高層次“大腦”來進(jìn)行指揮和控制，它們和人體也是分離的，所以通過新的傳感方法將其和人結(jié)合，是該項(xiàng)研究未來可以考慮發(fā)展的終點(diǎn)。

神經(jīng)元控制肌肉的原理是，大腦給予肌肉信號(hào)，這時(shí)肌肉就會(huì)收縮，并產(chǎn)生一般的運(yùn)動(dòng)。健全人的腿部要運(yùn)動(dòng)時(shí)，大腦只要發(fā)出意識(shí)，肌肉就會(huì)啟動(dòng)收縮，腿部就會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)。

休·赫爾希望這種信號(hào)能通過大腦傳遞到肌肉，但如果用外貼式的肌電傳感器來進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量神經(jīng)傳導(dǎo)會(huì)很困難。不同以往，此次該團(tuán)隊(duì)是想直接測(cè)量肌肉的運(yùn)動(dòng)特性，通過植入小磁球，就能直接測(cè)量肌肉的運(yùn)動(dòng)特性，這樣就無需再用外貼式肌電傳感器來測(cè)量。

已在火雞小腿上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

當(dāng)前的假肢是通過電極來對(duì)人體肌肉進(jìn)行電測(cè)量，其中有兩種方法，第一種是把電極連接到皮膚表面，第二種是通過手術(shù)植入肌肉。方法二不僅成本高，同時(shí)還得植入人體，但它能提供更精確的測(cè)量。

這兩種方法的共同缺點(diǎn)在于，肌電圖只能提供肌肉活動(dòng)信息，而無法提供肌肉的長(zhǎng)度或速度數(shù)據(jù)。

舉例來說，當(dāng)假肢用戶基于肌電圖進(jìn)行控制時(shí)，只能看到一個(gè)中間信號(hào)，即只能看到大腦發(fā)給肌肉的指令，而無法看到肌肉的實(shí)際執(zhí)行情況。

針對(duì)此他決定在肌肉中植入一對(duì)磁球，通過測(cè)量磁球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就能算出肌肉收縮的程度和速度。

該想法始于他在兩年前開發(fā)的一種算法，這種算法可大大減少傳感器確定體內(nèi)小磁球位置所需的時(shí)間。在該項(xiàng)研究中，該算法也幫助他克服了磁顯微法控制假肢時(shí)的主要障礙，讓測(cè)量結(jié)果得以實(shí)時(shí)接收。

實(shí)驗(yàn)中，休·赫爾還把磁球植入火雞小腿肌肉中，以測(cè)試該算法的追蹤能力。為了避免磁球植入肌肉組織后發(fā)生運(yùn)動(dòng)，他們將磁珠直徑設(shè)為3毫米，植入時(shí)至少間隔3厘米。

當(dāng)移動(dòng)火雞的踝關(guān)節(jié)時(shí)，他們能以大約一根頭發(fā)的寬度（約37微米）的精度來確定磁球的位置，相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量可在3毫秒內(nèi)完成。

把磁球植入火雞小腿肌肉中

這些測(cè)量數(shù)據(jù)可被輸入電腦主機(jī)當(dāng)中以建立對(duì)應(yīng)模型，根據(jù)其余肌肉的收縮情況，用戶就能讓假肢按照預(yù)期方式進(jìn)行移動(dòng)。磁顯微法還可直接測(cè)量肌肉長(zhǎng)度和肌肉速度。通過對(duì)整個(gè)肢體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，即可計(jì)算出要控制的假肢關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和速度。

李慶國(guó)分析稱，電動(dòng)的假肢很難識(shí)別用戶意圖，它一般使用外部信號(hào)來控制，比如位置傳感器和肌電信號(hào)等。但這些信號(hào)都是外部信號(hào)，發(fā)生運(yùn)動(dòng)以后才能測(cè)到這些數(shù)據(jù)，測(cè)量之后仍需大量肌電處理。當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，肌電信號(hào)也會(huì)改變，這可以說這二者存在著耦合，因此在控制上的可靠性很低。

休·赫爾團(tuán)隊(duì)一直想讓神經(jīng)接到傳感器上，而此次工作的優(yōu)點(diǎn)在于，使用了表面?zhèn)鞲衅?，并通過安裝一塊磁球來測(cè)量肌肉長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)變化，該方法不僅不會(huì)給患者帶來創(chuàng)傷，而且只需放置一些磁球即可在肌肉上測(cè)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，就能測(cè)量出患者的肌肉運(yùn)動(dòng)意圖，而再加上機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及生物機(jī)體建模，則有望實(shí)現(xiàn)較好的控制策略。

單個(gè)磁球的組織學(xué)研究

休·赫爾的中國(guó)學(xué)生如期回國(guó)發(fā)展，并已入職北航

未來，休·赫爾希望對(duì)膝蓋以下截肢的患者開展一項(xiàng)研究，研究?jī)?nèi)容是把控制假肢的傳感器放在衣服上，或者貼在皮膚表面，甚至貼在假肢外表面。

磁顯微法還可通過一種被稱為功能性電刺激的技術(shù)來改善肌肉控制，這種技術(shù)目前被用于幫助脊髓損傷患者恢復(fù)活動(dòng)能力。磁控制的另一個(gè)潛在用途是引導(dǎo)機(jī)器人外骨骼，讓它能連接到腳踝或其他關(guān)節(jié)上，以幫助中風(fēng)患者或肌肉無力人群以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

休·赫爾說：“從本質(zhì)上講，磁球和外骨骼就像人工肌肉，可以放大中風(fēng)受損肢體的生物肌肉輸出”，“這就像汽車上使用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置?！?p>

磁場(chǎng)傳感陣列

楊興幫

但在未來仍有要攻克的難題，李慶國(guó)表示，由于很難去控制人類運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)同，因此把磁球固定在肌肉上并不容易，因?yàn)榧∪怆S時(shí)在動(dòng)。正因?yàn)槿绱耍搱F(tuán)隊(duì)此次先以火雞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，想應(yīng)用在人體上仍需更多研究。

談及該團(tuán)隊(duì)希望磁顯微法可在未來取代肌電圖，并成為將周圍神經(jīng)系統(tǒng)與仿生肢體聯(lián)系起來的主要方式。對(duì)此李慶國(guó)評(píng)論稱，這一想法的初衷是讓外骨骼和假肢能跟人體實(shí)現(xiàn)通暢的聯(lián)接。人和機(jī)器的連接，是所有人機(jī)交互接口類研究都想解決該問題，否則機(jī)器仍舊是機(jī)器，人依舊是人，兩者之間沒有共同協(xié)調(diào)。

肌電圖的方法是基于大量數(shù)據(jù)分析，在測(cè)量超前信息上，肌電圖方法具有一定優(yōu)勢(shì)，而且肌電圖無需對(duì)人體有任何侵入。而磁顯微法還要做手術(shù)，磁球位置在人體中也可能會(huì)變化，時(shí)間久了可能仍然需要重做手術(shù)，而這也是休·赫爾的挑戰(zhàn)之一。但總體來看，肌電圖法可以和磁顯微法并存，并不一定要互相替換。

李慶國(guó)表示人類運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)同很難控制，因此把磁鐵球固定在肌肉上也并不容易，因?yàn)榧∪怆S時(shí)在動(dòng)，會(huì)造成磁鐵球位置的漂移。正因此，休·赫爾團(tuán)隊(duì)此次先從火雞做起，想在人體上仍然需要更多研究?？梢哉f，處理磁鐵球和人體肌肉的連接，是下一步該團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)。

總體而言，休·赫爾團(tuán)隊(duì)的研究，正走在世界前沿。而此前采訪過的北航博士畢業(yè)生楊興幫，剛從其團(tuán)隊(duì)結(jié)束博后研究，并已經(jīng)回國(guó)正式入職北航。

在MIT做博后期間，楊興幫曾和休·赫爾合作發(fā)表過題為《可實(shí)現(xiàn)跖屈一背屈雙向運(yùn)動(dòng)輔助的線纜驅(qū)動(dòng)可攜帶式踝關(guān)節(jié)外骨骼》的論文。（摘自美《深科技》）（編輯/費(fèi)勒萌）