基于磁性的系统帮助人们控制可穿戴机器人

麻省理工学院的一组研究人员开发了一种监测肌肉运动的创新方法。据该团队称，这个新系统将使人们更容易控制假肢和其他可穿戴机器人设备。

两篇研究论文发表在《生物工程与生物技术前沿》杂志上。

基于磁铁的系统被证明是高度准确和安全的，它可以在运动过程中跟踪肌肉的长度。该团队对动物进行了研究，并证明该策略可用于帮助使用假肢装置的人以更自然的方式控制它们。

Cameron Taylor 是麻省理工学院的研究科学家，也是该研究的共同主要作者。

“这些最近的结果表明，这种工具可以在实验室外用于跟踪自然活动期间的肌肉运动，并且它们还表明磁性植入物是稳定的和生物相容的，并且它们不会引起不适，”泰勒说。

在自然运动中测量肌肉

研究表明，当火鸡进行跑步和跳跃等各种自然运动时，他们可以准确测量小腿肌肉的长度。他们用小磁珠测量了这些，证明这些磁珠在植入肌肉后不会引起炎症或其他不良反应。

Hugh Herr 是媒体艺术与科学教授、麻省理工学院 K. Lisa Yang 仿生学中心的联合主任，也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的准成员。

“我对这项新技术的临床潜力感到非常兴奋，它可以改善仿生肢体对肢体丧失患者的控制和功效，”Herr 说。

当前的动力假肢通常通过称为表面肌电图 (EMG) 的方法进行控制。在这种方法中，附着在皮肤表面或植入截肢残肢肌肉中的电极能够测量来自个体肌肉的电信号。然后将这些测量值输入假肢以帮助人们控制它。

EMG 方法有一些局限性。一方面，它没有考虑任何关于肌肉长度或速度的信息，这两者都可以使假肢运动更加准确。

磁显微测量策略

麻省理工学院团队的策略依赖于一种称为磁显微测量的方法，该方法利用植入肌肉的小珠子周围的永久磁场。一个小型传感器连接到身体外部，系统可以跟踪两个磁铁之间的距离。当肌肉收缩时，磁铁会靠得更近，而当肌肉弯曲时，磁铁会分开得更远。

研究人员证明，该系统可以在非实验室环境中准确测量自然运动。他们通过首先创建一个火鸡可以攀爬的斜坡障碍路线来实现这一目标。他们还为火鸡搭建了跳上跳下的盒子。借助磁传感器，该团队可以跟踪活动期间的肌肉运动，他们得出结论，该系统可以在不到一毫秒的时间内计算出肌肉长度。

新系统比依赖大型 X 射线设备的传统方法效率更高。

“我们能够使用更小的便携式包装为房间大小的 X 射线设备提供肌肉长度跟踪功能，并且我们能够连续收集数据，而不是仅限于 10 秒的爆发。荧光显微镜仅限于，”泰勒说。

没有负面或有害影响

在与该研究相关的第二项研究中，研究小组发现磁铁不会产生组织疤痕、炎症或其他有害影响。它还表明植入的磁铁不会对火鸡造成任何不适。

植入物被证明可以保持稳定八个月，只要它们相距至少 3 厘米，它们就不会相互迁移。

“磁铁不需要外部电源，在将它们植入肌肉后，它们可以在患者的整个生命周期内保持其磁场的全部强度，”泰勒说。

研究人员现在将寻求获得 FDA 的批准，以在人体中测试该系统。

“这项技术满足需求的地方是将这些肌肉长度和速度传达给可穿戴机器人，以便机器人可以与人类协同工作，”泰勒说。“我们希望磁显微测量技术能够让人们以与控制自己肢体相同的舒适度和轻松程度来控制可穿戴机器人。”

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