北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的一项新研究表明，由神经冲动控制的机器人假肢脚踝可以让截肢者更加“自然”地移动，从而提高他们的稳定性。

“这项工作的重点是‘姿势控制’，这是令人惊讶的复杂，”该研究的通讯作者、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学生物医学工程联合系杰克逊家族杰出教授海伦黄说。

“基本上，当我们站立不动时，我们的身体会不断进行调整以保持稳定。例如，如果我们在排队时有人撞到我们，我们的双腿会做出各种我们甚至不知道的动作为了让我们保持直立，我们必须意识到这一点。我们与下肢截肢的人一起工作，他们告诉我们，使用假肢装置实现这种稳定性是一个重大挑战。这项研究表明，使用机器人控制的机器人假肢脚踝肌电图 (EMG) 信号非常擅长让用户实现这种自然的稳定性。” 肌电图信号是从个体肌肉记录的电信号。

这项新研究建立在之前的工作基础上，该研究表明动力假肢脚踝的神经控制可以恢复一系列能力，包括在具有挑战性的表面上站立和蹲下。

在这项研究中，研究人员对五名单腿膝盖以下截肢的人进行了研究。研究参与者配备了一个原型机器人假肢脚踝，它可以响应腿部传感器拾取的肌电图信号。

“基本上，传感器被放置在截肢部位的肌肉上，”该研究的合著者、最近获得博士学位的亚伦·弗莱明（Aaron Fleming）说。毕业于北卡罗来纳州立大学。“当研究参与者考虑移动截肢时，就会通过下肢的残余肌肉发送电信号。传感器通过皮肤接收这些信号，并将这些信号转化为假肢装置的命令。”

研究人员使用原型设备对研究参与者进行了一般培训，以便他们对这项技术有所熟悉。

然后，研究参与者的任务是对“预期的扰动”做出反应，这意味着他们必须对可能失去平衡的事物做出反应。在日常生活中，这可能是接球或拿起杂货之类的事情。然而，为了在研究过程中精确地复制条件，研究人员开发了一种机械系统，旨在挑战参与者的稳定性。

研究参与者被要求在两种情况下对预期的扰动做出反应：使用他们通常使用的假肢装置；并使用机器人假肢原型。

“我们发现研究参与者在使用机器人原型时明显更加稳定，”弗莱明说。“他们绊倒或跌倒的可能性较小。”

“具体来说，机器人原型允许研究参与者改变他们的姿势控制策略，”黄说。“对于下肢完整的人来说，姿势稳定性从脚踝开始。对于失去下肢的人来说，他们通常必须弥补脚踝控制力的不足。我们发现，使用对肌电图信号做出反应的机器人脚踝让用户回归到维持稳定的本能反应。”

在该研究的另一部分中，研究人员要求研究参与者在使用正常假肢和原型机器人假肢时前后摇摆。研究参与者配备了旨在测量整个下半身肌肉活动的传感器。

“我们发现，当人们使用两种不同的假肢时，下半身的肌肉活动模式非常不同，”黄说。“基本上，使用原型假肢时的肌肉激活模式与我们在充分利用两个完整下肢的人身上看到的模式非常相似。这告诉我们，我们开发的原型足够接近地模仿身体的行为，足以让人们的‘正常’神经模式回归。这很重要，因为它表明该技术对于用户来说会有些直观。

“我们认为这是一个具有临床意义的发现，因为姿势稳定性对于使用假肢装置的人来说是一个重要问题。我们现在正在对更多的人进行更大规模的试验，以证明该技术的效果并确定哪些人可能受益最大”。