Science Robotics：仿生手臂的神经机器人感觉运动融合恢复自然行为

克利夫兰诊所(Clevelandclinic)领导的研究小组在《Science Robotics》杂志上发表的一项新研究报告称，他们为上肢截肢患者设计了首款神经机器人假肢，患者佩戴后就像未截肢一样拥有触摸和抓握运动感觉。

克利夫兰诊所的 Paul Marasco 博士表示:“我们用这种复杂的仿生系统改进了一种标准护理假肢，使佩戴者能够更直观地移动假肢，同时感受触感和运动。这些发现是为截肢患者完全恢复自然手臂功能迈出的重要一步。”

研究人员开发的仿生假肢系统结合了三个重要功能:

• 直观的电机控制
• 触摸
• 手握感，即手张开和握紧的直观感觉

先进的假肢感受抓握运动感，指尖触摸，通过思维直观控制。 用户手臂和身体上的反光标记有助于计算机在 3D 环境中看到他们的动作，而眼镜则可以让计算机准确地看到他们看到的东西，如下图所示。

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由神经-机器接口实现的三种功能

该系统是首个同时在假肢的神经-机器接口上测试所有三种感觉和运动功能的系统。闭环神经-机器接口与佩戴者的截肢神经相连。当患者想要使用或移动假肢时，它可以将神经冲动从大脑发送到假肢，以及从环境中接收物理信息并通过神经系统将其传递回大脑。

神经机器人假肢的双向反馈和控制使研究参与者能够像非截肢者一样准确地执行任务。

Marasco博士指出，“也许我们最兴奋的是，研究参与者做出判断和决定，计算动作并纠正错误，就像没有截肢的人一样，有了新的仿生肢体，人们的行为就像他们有一只自然的手一样。通常，这些大脑行为在有和没有上肢假肢的人之间是非常不同的。”

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定向感觉和运动神经移植

研究人员在两名上肢截肢的参与者身上测试了这种新的仿生肢体，这两名参与者之前曾接受过定向感觉和运动神经移植——通过将截肢神经重新定向到剩余的皮肤和肌肉，建立了神经-机器接口。

在定向感觉神经移植中，用小型机器人触摸皮肤激活感觉感受器，使患者能够感知触觉。在定向运动神经移植中，当患者想要移动他们的四肢时，经过神经移植的肌肉会与计算机化的假肢通信以同样的方式移动。此外，机器人振动这些肌肉中的动觉感受器，帮助假肢佩戴者感觉到手和手臂在移动。

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行为与非截肢者相似

在佩戴假肢时，参与者执行的任务反映了需要手和手臂功能的日常行为。使用最新开发的高级评估工具，研究人员评估了仿生肢体与使用传统假肢装置的非截肢者和截肢者的性能。研究人员还比较了同时启用三种感觉和运动模式和单独启用时的表现。

由于使用传统义肢的人的四肢没有感觉，他们在完成日常工作时的行为与没有截肢的人不同。例如，传统的义肢佩戴者在使用义肢时必须不断地观察，当他们的手用力过大或过小时，他们很难学习纠正错误。如上图，真实和虚拟的假肢手足够灵活，可以代表所有不同的手部运动的感觉，每个研究参与者都可以通过他们的神经-机器界面感受到。

研究人员使用先进的评估工具观察到，研究参与者的大脑和行为策略发生了变化，与没有截肢的人相匹配(见最上方的视频)。Marasco博士说:“在运动控制中添加触控使参与者不再需要观察他们的假肢。他们不用看就能找到物体，而且他们能更有效地纠正自己的动作错误。”

研究人员开发的假肢效率和PEP测试。这个测试提供了关于个体在使用他们的触觉和抓握动觉在干扰物中寻找不同刚度块时所做决定类型的观察。

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研究的根源和潜在影响

研究人员表示，目前的研究基于该研究团队2018年在《Science Translmedicine》上发表的一篇开创性论文，该论文研究的是一种恢复假肢患者自然运动感觉的新方法。

参考信息

Neurorobotic fusion of prosthetic touch, kinesthesia, and movement in bionic upper limbs promotes intrinsic brain behaviors

https://consultqd.clevelandclinic.org/bionic-arms-neurorobotic-sensory-motor-fusion-restores-natural-behaviors/