MIT出品 意念控制+个性化定制的机器人假肢，背后还有这样的故事
麻省理工学院（MIT）的生物机电一体化媒体实验室中，明亮的玻璃墙上，摆放着许多仿生机械和机器人肢体，例如脚，脚踝和腿，以及大腿截肢的石膏模型。
MIT的这个实验室年度运营预算超过7500万美元，都是赠款以及至少支付25万美元的三年会员资格的公司提供。该生物机电一体化小组更是全球顶尖的制造机器人假肢和外骨骼的团队。
先给大家讲个故事。
Hugh Herr，MIT媒体实验室生物机电一体化小组的领导者。
他曾被誉为攀登神童，8 岁那年就爬上了海拔 4000m 的加拿大落基山脉，十几岁就无绳自由攀登，但在17岁的某一天，他失败了。
1982 年的一个清晨，华盛顿山上狂风呼啸，雪崩欲临。Hugh攀至 1500 多米时，山况陡然恶劣，暴雪恍若遮天，视线根本无法触达一米之外，他被困在裸露的冰环里整整三个晚上。当搜救队找到他时，腿部严重冻伤，膝盖以下只能截肢。所有人都以为他的攀登事业，也在那天和暴雪一起坍塌了。
然而，经过几个月的外科手术和康复，Hugh使用他设计的假肢，创造了比事故前的水平更高的攀登记录，尽管医生都认为这是不可能的。
因为这次事故，Hugh开始专注于学术领域，在麻省理工学院获得了机械工程硕士学位，然后在哈佛大学获得了生物物理学博士学位。在麻省理工学院从事生物医学设备的博士后研究时，他开始研究可增强人类身体能力的可穿戴机器人系统，这些设备可模拟人腿的功能。
过去的十几年间，Hugh在康复科学领域发表了150余篇经同行评审的论文，还是与可穿戴辅助设备有关的100多项专利的持有者。
最近，由Hugh领导的MIT生物机电一体化实验室小组发布了他们最新的仿生机器人腿部系统——TF8。号称是迄今为止发布的最轻巧，最灵活，最仿生的腿部系统。它是第一个可以根据个人用户和任务进行个性化设置的机器人假肢；佩戴者还可以用自己的大脑控制TF8，从而使机器人假肢像生物脚一样无缝移动。
巧妙的机械设计实现不同患者的需求
到目前为止，商用腿部假肢几乎都用相同的设计应对所有的患者。而TF8通过其精妙的机械设计实现了为不同的人“量身定制”。
TF8的执行器架构可以称为力矩耦合悬臂梁反作用力系列弹性执行器（RFSEA）。通过将线性致动器耦合到距关节轴一定距离的力矩臂上，向关节施加扭矩。线性执行器由外转子马达和集成的滚珠丝杠组成，以产生线性力。来自线性致动器的反作用力通过夹在弹簧上的力矩臂在悬臂梁弹簧上感应力矩，从而形成力偶。弹簧最终将负载串行接地到执行机构的机架上。
四个螺栓固定在弹簧上，可以互换弹簧以使其与执行器相匹配，从而调节执行机构的动态特性以适应不同的佩戴者需求，例如不同的体重、身高、行走方式等，还能适应不同的行走过程（平底步行，上楼，下楼）。
本体感应+意念控制
TF8的本体感应和意念控制来源于一种新的神经接口通讯模式，能够将动作指令从中枢神经系统通过生物传感器发送到机器假肢，并将假肢关节运动的本体感受反馈回中枢神经系统。这被称为主动肌-拮抗肌神经接口（AMI）。AMI 由主动肌和拮抗肌，两个相对的肌肉肌腱组成。通过外科手术将其相互连接，当有意识控制或电子激活时，一个肌肉收缩另一肌肉就会拉伸，反之亦然。这种耦合运动能让肌腱中的神经生物传感器将电信号传输至中枢神经系统，传达肌肉长度、速度和力量信息，然后这些信息被大脑翻译为假肢的本体感受。
Hugh 表示“肌腱的本体感受就是这样在人体关节中发挥作用的，因为肌肉有天然的神经，当主动肌和拮抗肌作出动作时，信息通过神经传递到大脑，使人感觉到这些肢体的动作，还有关节的位置、速度和负荷”。通过将 AMI 与电极电连接，研究人员可以检测肌肉中的电脉冲，或者向肌肉施加电脉冲使其收缩。
消除残障的美好愿景
媒体在采访Hugh后认为，与他谈话是非常鼓舞人心的，因为他看到了消除残障的未来。他相信像他这样的人会像普通人一样为自己的身体感到骄傲。实际上，Hugh的经验表明，先进的机器人假肢甚至可以让双截肢者拥有比普通人更好的运动能力。
正如Hugh所说：“我们的机器人假肢没有用户手册”。因为他们实现了人机交融，佩戴者可以自如的控制TF8就像随意活动自己本来的腿一样。
麻省理工学院媒体实验室正在致力于其他方面的进步，下一代仿生踝关节和膝盖的设计旨在在所有指标上改进仿生执行器：运动范围，功率密度，带宽和质量，同时采用未来派美学。他们将会继续完善这些仿生假体，然后将其设计开源。
抱着消除残障的美好愿景，这些伟大的人正在悄悄地，努力地改变着世界。
参考
Carney, M., Shu, T., Stolyarov, R., Duval,J., & Herr, H. (2019, June 29). Design and Preliminary Results of aReaction Force Series Elastic Actuator for Bionic Ankle Prostheses.
https://doi.org/10.31224/osf.io/3wt5j
https://www.media.mit.edu/people/hherr/publications/
http://matthematic.com/projects/mit/biomech/biomech_tf8.html
视频：
https://youtu.be/-a7PJ0MHmBQ
https://youtu.be/kaFiwC1xh2Y
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