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创新方法来监测肌肉运动。根据该团队的说法，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期刊 生物工程和生物技术前沿上。

基于磁性的系统被证明是高度准确和安全的，它可以跟踪肌肉在运动中的长度。该团队在动物身上进行了研究，并证明了这种策略可以帮助具有假肢的个体以更自然的方式控制它们。

卡梅伦·泰勒是麻省理工学院的研究科学家和研究的共同首席作者。

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

在自然运动中测量肌肉

研究表明，他们可以准确地测量火鸡小腿肌肉的长度，当火鸡进行各种自然运动，如跑步和跳跃时。他们使用小磁珠来测量这些长度，并证明这些磁珠在植入肌肉后不会引起炎症或其他不良影响。

休·赫尔是媒体艺术和科学教授，麻省理工学院K. Lisa Yang生物力学中心的共同主任，并且是麻省理工学院麦戈文脑部研究院的副会员。

“我对这项新技术的临床潜力感到非常兴奋，它可以改善假肢的控制和有效性，用于肢体丧失的人，”赫尔说。

当前的电动假肢通常使用一种称为表面电生理图（EMG）的方法来控制。这种方法使用附着在皮肤表面或植入在残肢肌肉中的电极来测量个体肌肉的电信号。这些测量值然后被输入到假肢中，以帮助个体控制它。

EMG方法有一些局限性。例如，它不考虑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。

磁微米测量策略

麻省理工学院团队的策略依赖于一种称为磁微米测量的方法，它利用小磁珠周围的永久磁场。一个小传感器被附着在身体外部，系统可以跟踪两个磁铁之间的距离。当肌肉收缩时，磁铁会更接近，当肌肉伸展时，磁铁会更远离。

研究人员证明，这个系统可以在非实验室环境中准确地测量自然运动。他们通过创建一个有坡道的障碍课程来实现这一点，火鸡可以攀爬。他们还建造了盒子让火鸡跳上和跳下。使用磁传感器，团队可以在活动期间跟踪肌肉运动，并且他们得出结论，该系统可以在不到一毫秒的时间内计算肌肉长度。

这个新系统比传统的方法更高效，传统方法依赖于大型X射线设备。

“我们能够提供与房间大小的X射线设备相同的肌肉长度跟踪功能，但使用一个更小、更便携的包装，并且我们能够连续收集数据，而不是被限制在10秒的突发模式中，”泰勒说。

无负面或有害影响

在与该研究相关的第二项研究中，该团队发现磁铁不会产生组织瘢痕、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不适。

植入物被证明在八个月内保持稳定，并且它们不会相互迁移，只要它们至少相距三厘米。

“磁铁不需要外部电源，并且在将它们植入肌肉后，它们可以在整个患者生命周期中保持其磁场的全部强度，”泰勒说。

研究人员现在将寻求FDA的批准来测试该系统在人类身上。

“这种技术填补了一个空白，即将那些肌肉长度和速度传输到可穿戴机器人上，以便机器人可以以与人类协调一致的方式运行，”泰勒说。“我们希望磁微米测量能够使人们能够像控制自己的肢体一样，以相同的舒适度和便捷性控制可穿戴机器人。”