仿真假肢手臂

麻省理工学院的仿生腿专家休·赫尔(Hugh Hull)在17岁的一次攀岩中因冻伤被迫截肢。但他认为，只有技术会不完整，人体永远不会“不完整”。休·赫尔的自制假肢，高或低。

休·赫尔正在制作假肢。

起初，他用金属材料为自己制作假肢，但制作出来的假肢长度不是太长就是太短。后来他做的假肢越来越成熟，终于再次实现了攀岩。

就这样，依靠金属和木头，他再次实现了攀岩的梦想。

即使他失去了双腿，但他的学习一点也没有落后。他曾开玩笑说，截肢前他经常在考试中得D或F，截肢后他的头脑似乎更聪明了。后来毕业于宾夕法尼亚州米勒斯维尔大学物理专业，获得麻省理工学院机械工程硕士学位，后获得哈佛大学生物物理学博士学位。

目前是麻省理工学院媒体实验室教授，生物机电一体化研究组主任。截至2014年，他在TED演讲的视频已经播放了超过1200万次。休·赫尔在演讲

休·赫尔在演讲

成为科学家的休·赫尔不再满足于制造简单的假肢，而是决心通过技术让残疾人使用假肢更加舒适。

第一受益者当然是他自己。相比截肢后躺在床上的孤独，现在的他不仅拯救了自己，也帮助了更多像他一样的病人。

他和他的团队花了200天时间，为一位在2013年波士顿马拉松恐怖袭击中失去左下肢的舞者阿德里安娜·阿斯莱特-戴维斯(adrianna Aslett-Davis)定制假肢，并让另一位舞者重返舞台。休·赫尔的TED演讲结束时，阿德里安娜穿上仿生腿翩翩起舞，全场观众起立鼓掌。休·赫尔仿生腿使用前后的对比

阿德里安娜穿上仿生腿跳舞。

休·赫尔

此外，他还让一名在阿富汗战场上失去双腿的美国士兵通过仿生腿再次奔跑。

几个月前，休·赫尔的助手说，57岁的休·赫尔又要当爸爸了。现在，仅仅过了几个月，他已经发表了100多篇论文，并再次发表了他的最新研究成果。

对于截肢者来说，最大的挑战是控制假肢，使其能够像正常肢体一样运动。大多数假体都是通过肌电图来控制的，肌电图是一种记录肌肉电活动的方法，但这种方法只能提供有限的控制能力。

这一次，休·赫尔(Hugh Hull)的团队开发了一种叫做磁微测量的新方法，据说它可以为假肢的运动提供更精确的控制。

具体来说，这种磁性显微测量方法的原理是将小磁珠植入截肢残肢的肌肉组织中，从而在肌肉收缩时精确测量肌肉的长度，并在几毫秒内将相关反馈传输到仿生假肢中。相关论文发表在《科学机器人学》上，题目是《磁性显微术》。相关论文

休·赫尔(Hugh Hull)希望磁显微镜能够取代传统的肌电图，成为仿生肢体连接周围神经系统的主要控制手段。之所以做这个分析，是因为他认为磁显微镜具有毫米级的高信号控制质量，实现成本低，商业价值大。

显微镜的另一个优点是，磁珠一旦植入肌肉，就可以永久稳定地在肌肉中工作，不需要更换。

加拿大安大略省金斯敦皇后大学机械与材料工程学院的李庆果教授和休·赫尔教授相识多年，他们经常在现场会议上碰面。他说，这项研究旨在解决传感问题。外骨骼和假肢的控制重在识别用户的运动意图，所以还需要一个“大脑”来传递信号。而传统的外骨骼和假肢没有一个高级别的“大脑”进行指挥和控制，与人体是分离的，所以用新的传感方式来分离。

神经元肌肉控制的原理是大脑给肌肉发出信号，然后肌肉就会收缩，产生一般的运动。健康人的腿想运动的时候，只要大脑有意识，肌肉就会开始收缩，腿也会跟着收缩。

休·赫尔(Hugh Hull)希望这种信号可以通过大脑传递到肌肉，但如果使用外部肌电传感器进行测量，将很难测量神经传导。在过去，这一次，团队希望直接测量肌肉的运动特征。通过植入一个小磁球，可以直接测量肌肉的运动特征，从而不需要外部的肌电传感器。实验是在火鸡幼崽身上进行的。

目前，假肢使用电极对人体肌肉进行电测量。有两种方法，第一种是将电极连接到皮肤表面，第二种是通过手术将电极植入肌肉。第二，该方法不仅成本高，而且植入人体，但可以提供更精确的测量。

这两种方法的共同缺点是肌电只能提供肌肉活动的信息，而不能提供肌肉长度或速度的数据。

比如假肢使用者基于肌电控制时，只能看到一个中间信号，也就是只能看到大脑给肌肉的指令，而看不到肌肉的实际执行。

鉴于此，他决定在肌肉中植入一对磁球。通过测量磁球的相对运动，可以计算出肌肉收缩的程度和速度。

这个想法始于他两年前开发的一种算法，这种算法可以大大减少传感器确定体内小磁球位置所需的时间。在这项研究中，该算法还帮助他克服了磁性显微镜控制假肢的主要障碍，从而可以实时接收测量结果。

在实验中，休·赫尔还在火鸡的小腿肌肉中植入了一个磁球，以测试算法的跟踪能力。为了避免磁球植入肌肉组织后的移动，他们将磁珠的直径设置为3mm，植入时至少相隔3cm。

在移动火鸡的脚踝时，它们可以以大约一根头发丝宽度(约37微米)的精度确定磁球的位置，相关数据的测量可以在3毫秒内完成。将磁球植入火鸡的小腿肌肉。

这些测量数据可以输入到主机中建立相应的模型。根据剩余肌肉的收缩，用户可以使假肢按照预期移动。磁法还可以直接测量肌肉长度和肌肉速度。通过对整个肢体的数学建模，可以计算出要控制的假肢关节的目标位置和速度。

根据李庆果的分析，电动假肢很难识别使用者的意图。一般由外部信号控制，如位置传感器、肌电信号等。但这些信号都是外界信号，只有运动后才能测量，测量后还需要大量的肌电处理。当运动状态发生变化时，肌电信号也会发生变化，可以说两者之间存在耦合，因此控制的可靠性很低。

休·赫尔的团队一直想把神经和传感器连接起来。这项工作的优点是使用了表面传感器，并安装了一个磁球来测量肌肉长度和运动变化。这种方法不仅不会给患者带来创伤，而且只需要放置一些磁球就可以测量出患者的肌肉运动意图。随着机器学习算法和生物体建模的加入，有望实现更好的控制策略。单个磁性球体的组织学研究

休·赫尔的中国留学生如期回国发展，已加入北航。

未来，休·赫尔希望对膝盖以下截肢患者进行研究。研究的内容是把控制假肢的传感器放在衣服上，或者放在皮肤表面，甚至放在假肢的外表面。

显微镜还可以通过一种称为功能性电刺激的技术来改善肌肉控制，这种技术目前用于帮助脊髓损伤患者恢复活动能力。磁力的另一个潜在用途是引导机器人外骨骼，使其可以连接到脚踝或其他关节上，以帮助中风患者或肌肉无力的人进行锻炼。

休·赫尔说，“从本质上来说，磁球和外骨骼就像人造肌肉，可以放大中风受损肢体的生物肌肉输出。”"这就像汽车上使用的动力转向装置."磁场传感阵列

杨兴邦

但是，未来仍有问题需要克服。李庆果说，因为很难控制人体运动和机械运动之间的协调，所以不容易将磁球固定在肌肉上，因为肌肉总是在运动。正因为如此，团队首先以火鸡为实验对象，将其应用于人体还需要更多的研究。

谈及团队希望磁显微镜在未来能够取代肌电图，成为连接周围神经系统与仿生肢体的主要方式。对此，李庆果评论说，这个想法的初衷是让外骨骼和假肢与人体平滑连接。人和机器的联系是所有人机交互界面研究都想解决的问题，否则机器还是机器，人还是人，两者之间不会有共同的协调。

肌电法是建立在大量数据分析基础上的，在测量高级信息方面有一定优势，而且肌电不需要对人体有任何侵入。但是磁性显微镜还是需要手术，而且磁球在人体内的位置可能会发生变化。时间长了，可能还需要重新手术，这也是休·赫尔面临的挑战之一。但一般来说，肌电图和磁显微镜是可以共存的，没必要互相替代。

李庆果说，人体运动和机械运动的协调性很难控制，所以不容易把磁球固定在肌肉上，因为肌肉随时都在运动，会造成磁球的位置漂移。所以，休·赫尔的团队这次从土耳其入手，仍然需要对人体进行更多的研究。可以说，处理好磁球和人体肌肉的连接是团队接下来的挑战。

总的来说，休·赫尔的研究团队是走在世界前列的。之前面试过的北航博士毕业生杨兴邦，刚刚从团队完成博士研究，已经回国正式加入北航。

我在麻省理工读博士期间，杨兴邦和休·赫尔共同发表了一篇论文，题目是《缆驱动便携式踝关节外骨骼辅助跖屈和背屈双向运动》。(摘自深度科技)(编辑/费列曼)