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新研究!通过神经信号控制假肢有了更多可能

本文作者:伍文靓 2021-04-25 08:36
导语:无论是站立还是移动,志愿者实现动作的稳定性都超出了预期。

新研究!通过神经信号控制假肢有了更多可能

雷锋网注:图片来自 北卡罗莱纳州立大学

通过神经信号来帮助残疾人士(本文特指下肢截肢人士)控制假肢的设想又多了一些可能性。

近日研究人员发现,在物理疗法的帮助下,实验对象利用神经控制方法完成的动作数量超乎科学家们之前想象。                                          

在发现这个现象之前,该研究团队一直在开发下半身外骨骼,用于帮助残疾人士行走。不过,他们所开发的设备本质上是可行走机器人,残疾人士可将其绑在腿上,然后进行移动。

通常来说,这些外骨骼(可行走机器人)可以自动执行诸如步行之类的预编程循环运动。如果在帮助残疾人士进行更复杂的活动,研究人员希望残疾人士能够通过思想来控制这些设备,例如,依赖附着在腿部的传感器来实现,这些传感器可以检测从大脑发送到肌肉的生物电信号,并发出移动的指令。

当然了,目前看来,上述操作还属于一种理想状态。

北卡罗莱纳州立大学生物医学工程师、该研究的资深作者 Helen Huang 表示:

“完成走路这样简单的动作而言,机器进行自主控制的效果会很好,但如果涉及到的动作不仅仅是走路,比如打网球或即兴舞蹈时,能够有神经控制的帮助就好了。”                                 

不过,目前由脑信号来实现对机器人假肢的控制还存在需要解决的问题,其中就包括如何帮助残疾人士的神经系统去激活和控制他们仍然存留在肢体中的肌肉。

“在(截肢)手术过程中,肌肉的原始结构发生了变化。”Helen Huang 进一步解释说,“我们发现,激活这些残留的肌肉相对简单,但是它们收缩的方式与身体健全的人不同,因此残疾人士需要接受训练,从而学会如何更好地控制这些肌肉。”

在这项新研究中,Helen Huang 和同事为一名截肢志愿者在理疗师的指导下练习使用神经控制来做动力假肢踝关节的训练,这种训练对于假肢来说是极具挑战性的。因为假肢需要从控制踝关节运动的肌肉接收生物电信号。                                                                    

这位 57 岁的志愿者失去了左小腿中部以下的肢体,包括脚踝。他在两个半星期的时间内与物理治疗师进行了五次练习,每次练习持续约两个小时。而物理治疗师会帮助志愿者提供有关关节活动的反馈,并且在关节运动练习之后,帮助志愿者进行全身运动和全身协调。

在通过培训后,志愿者就可以做出他以前认为困难的各种动作,其中包括在不借助外力的情况下从端坐到站立的动作或是蹲着捡地面的某样东西。

此外,毕竟腿部佩戴假肢机器人的截肢者站立时通常稳定性较差,因为机器很难预测外界干扰,也很难预测截肢者会用何种方式来弥补这种干扰。

北卡罗莱纳州立大学生物医学工程师,该研究的第一作者 Aaron Fleming 说:“站立时所呈现的稳定性以及对动作的微妙控制都令人惊讶。”                                                              

眼下,研究人员的目标是对更多的机器人假肢的患者进行检查,并帮助他们进行更多的任务(例如避开障碍物)测试。他们还想调查当这些志愿者身处这样的训练中。神经系统可能在做什么,比如是否正在恢复原始的神经通路。

雷锋网注:

本文编译自 https://spectrum.ieee.org/tech-talk/biomedical/devices/brain-computer-interface-exoskeleton-neural-link

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