生物仿生可以带来更好的假肢体验

2025-10-01上海AR开发专家

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  截肢者使用的碳纤维假肢,或者说“刀锋”,可以说是残奥会最具代表性的标志之一。虽然不同的假肢会被用于跑步、跳远和其他运动,但它们都有一个共同的目标:帮助残疾人运动员跑得更快,跳得更高。形式跟随功能。
  然而,对普通的残疾人来说,他们的假肢就需要适应不同的场景并执行不同的功能,不能只是满足一个目的,而是像真正的腿一样。那么,我们如何能让假肢感觉更真实,而不只是一个专门的工具呢?
  用于现代跑步运动的“刀锋”具有独特的钩形,而制作日常假肢最有前景的其中一个工程设计方法是能够准确模拟出腿部、脚踝和足部的生物设计。这种方法被称为“生物仿生”。
  一个“被动”踝足假肢通常会用到像弹簧一样的弹性介质来模拟跟腱行为,储存弹性能量并在踝关节蹬地前释放。“主动”假肢会使用额外的致动器或马达,以弥补本应由小腿肌肉在每次踏步时所提供的力量。实验已经证明,这样的假肢可以帮助使用者走起路来更像正常人,并且改善生物机理和假肢之间的对称性。目前,这种假肢适用于以稳定的速度行走平地上的情况,而不是诸如爬楼梯这样的活动。
  简单的设计,先进的技术
  让假肢更像是生物腿,并提高使用者舒适度的其他方式更简单。他们解释了让截肢者参与到设计过程中的重要性。一个使用最先进仿生脚踝的用户告诉我,这个假肢最大的特点并不是说提供了一个电动推杆,或者让使用者走起路来更像是正常人,而是当使用者坐下来,脚踩在地面上时,腿部不会以90度角尴尬地伸出去(大多数假肢都会出现这样的情况)。
  另一个是如何控制假肢的问题。现在的主动假肢会内置计算器来控制马达和模拟正常人行走,假肢变得越来越像可穿戴式机器人。此外,我们甚至可以使用能读取大脑或肌肉信号的接口,让用户能够以正常人的方式来思考和控制假肢。他们目前正在的实验项目是可植入电极的使用,向大脑发送信号并让其为使用者提供触觉反馈,关闭人机循环,这样使用者就可以感觉到假肢上的触觉,仿佛就是自己原本的腿部。
  这些技术突破和科学进步可以让截肢者与假肢更紧密地联系在一起,这意味着我们现在可以更多地关注假肢的呈现方式。换句话说,什么程度的假肢感觉像是人体的一部分?你的大脑会这样认为吗?
  我们很清楚大脑对身体的映射。处理各种触觉的运动皮层(或许说运动控制中心)和体感皮层都是按照大脑皮层躯体特定区进行排列。这意味着我们身体的每个区域在运动皮层和体感皮质中都有对应的特定区域。重要的是,这种映射在截肢后仍不会不消失。
  这意味着我们有机会借助肌肉和外围神经,来把假肢与控制和感知生物体部分的大脑皮层连接在一起。但这或许也可以让我们进行衡量,看看大脑在多大程度上接受了假肢作为身体一部分。
  这一系列研究最终会把认知神经科学和生物医学工程结合在一起,这不仅对设计出更好的假肢很重要,还能让我们更好地了解大脑是如何创建和维持对我们身体的映射。其研究出来的机制不仅可以应用于截肢者,也可以应用于非截肢者。