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新!!磁珠感測肌肉動作,能精密控制仿生義肢?

生物體的肌肉動作非常微妙,搭配各個關節的自由度,操作起來,動作非常精緻。還不只如此,我們能夠身體各部分協調,正常的行走、跑、跳,都是肌肉、本體感覺、視覺等微妙配合運作的結果。但是若不幸因為任何原因需要使用到仿生義肢或者體外骨骼形式的輔助設備,這時候要控制自如的像正常一般,義肢的設計非常重要。

仿生義肢

現在的仿生義肢,大多利用獲取穿戴者餘肢上的肌電圖訊號,來做為控制義肢關節作動的命令。例如,一位膝關節以下截肢的患者,如果穿上仿生義肢,這種義肢會擷取膝關節下餘肢附近的肌電圖訊號,也就是肌肉的電訊號,來控制義肢的關節動作。但是肌電圖的電訊號,無法真的反應肌肉動作時的長度和速度變化,在控制義肢的動作上,科學家認為,依舊不夠精準。

磁珠感測肌肉動作

最近一篇由美國麻省理工學院(MIT)的研究員,發表在Science Robotics的研究,認為現在是穿戴式裝置感測的世紀,我們周遭有太多裝置持續在監測我們的各種資訊,但是缺少可以持續監控我們的肌肉、肌腱和骨頭動作的感測器。如果有這樣的感測器,可以持續監測我們的動作表現,幫助受傷患者進行復健,提供最直覺、反射的訊號來控制體外骨骼或仿生義肢。因此,他們開發了一種感測裝置,稱作magnetomicrometry (MM, magnet磁性-micro微-metry量測)。這樣的方式是在餘肢末端附近的肌肉內植入磁珠,量測磁珠間的相對位置,來追蹤肌肉組織的長度變化,計算速度。這種磁珠的大小約3mm,植入肌肉組織後可以長期放置,然後在植入位置的外側皮膚,配置陣列式相對應的外部感測器,利用特殊開發的演算法,即時計算出磁珠的相對位置,精準度到37微米(micro-meter)。這樣的資料可以用來控制仿生義肢和外骨骼作動,也就是說大腦命令傳遞給肌肉,肌肉表現在餘肢上,再傳遞到仿生義肢上完整表現出來。這樣的設計,研究中提到在火雞的腳踝進行了動物實驗,評估這個設計的精準性、磁珠的生物相容性和長期植入的穩定性。

肌電圖vs磁珠感測

你可能會有個疑問,為什麼不能用量測餘肢末端附近的肌電圖訊號,用它來控制仿生義肢?這篇研究認為,用肌電圖訊號轉換來控制疫肢,不夠精準。因為肌電圖量測的數據是肌肉收縮、靜止的電訊號,也就是大腦告訴肌肉要做什麼的訊息,不是肌肉真的獲得訊息後做出的動作。如果用後者。也就是肌肉獲得訊息後做出的動作,來做為穿戴者和仿生義肢間的溝通資訊,能夠更精準的控制仿生義肢。

可能的應用

開發者也提到這項技術未來可能的應用,相當振奮人心。第一個就是前面提到的仿生義肢。再來就是對於患者,需要安裝外骨骼來輔助動作,那麼這種磁珠感測器能精準傳遞出穿戴者的肌肉訊號,就能命令外骨骼適時地提供穿戴者適當的輔助,讓動作看起來協調對稱。第三個則是應用在神經損傷,像是脊隨損傷的患者,如果能將他們截斷的神經訊號適當地傳遞到肌肉,刺激肌肉動作,會是給患者一個重新控制自己肌肉動作的機會。

未來的挑戰

期待這樣的發明真的能應用到臨床上,生醫人網摘認為訊號擷取出來之後,要能即時地演算,預測動作的訊號,再傳遞和反應在仿生義肢上,讓人體左右兩側可以完美協調的動作,上述每個步驟,訊號傳遞和反應的 『時間』,會是最終在臨床上使用,最大的挑戰。另外,生物體動作要能的協調,除了肌肉,還需要人體其他感覺共同協作完成,是不是也能把這些因素同時放到這個系統中呢!!

參考文章: MIT , Science Robotics

影片來源: MIT Media Lab

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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