MIT 仿生腿专家休·赫尔（Hugh Herr）在 17 岁时的一次攀岩中，因遭遇冻伤下肢被迫截肢。但他认为只有技术才会有残缺，人类身体永远不会“残缺”。

图 | 休·赫尔自制的或高或低的假肢（来源：TED）

一开始他使用金属材料来为自己制作假肢，但造出来的假肢的长度不是太长、就是太短。后来，他制造的假肢愈发成熟，最终再次实现攀岩。

图 | 正在制作假肢的休·赫尔（来源：TED）

就这样，靠着金属和木头，他再次实现攀岩梦想。

图 | 休·赫尔再次实现攀岩（来源：TED）

即使失去双腿，学业却丝毫没有落下，他曾开玩笑说，截肢前考试成绩经常得 D 或 F，截肢后头脑好像更聪明了。日后，其本科毕业于宾夕法尼亚米勒斯维尔大学物理学专业，并在 MIT 获得机械工程硕士学位，随后拿到哈佛大学生物物理学博士学位。

图 | 穿戴仿生腿进行演讲（来源：TED）

目前他是 MIT 媒体实验室的教授，也是该校生物机电一体化研究小组的主任。截至 2014 年，他在 TED 的演讲视频至今已有 1200 多万播放量。

图 | 演讲现场的休·赫尔（来源：TED）

成为科学家之后的休·赫尔，不再满足于制作简单的假肢，而是决心通过技术制造出让残疾人佩戴更舒适的假肢。

 

第一个受益人当然是他自己，对比当初被截肢后躺在床上的落寞，如今他不仅拯救了自己，也帮助了更多像他一样的患者。

图 | 休·赫尔使用仿生腿前后对比（来源：TED）

他和团队曾花费两百天，为一位在 2013 年波士顿马拉松恐袭事件失去左下肢的舞蹈演员阿德里安娜.阿斯莱特-戴维斯（Adrianne Haslet-Davis）定制假肢，并让对方得以重返舞台。在休·赫尔的 TED 演讲末尾，阿德里安娜戴上仿生腿跳了一支舞，全场观众全体起立鼓掌。

图 | 阿德里安娜戴上仿生腿跳舞（来源：TED）

此外，他还让一位在阿富汗战场中失去双腿的美国士兵，通过仿生腿可以重新奔跑。

图 | 戴上假肢奔跑的美国士兵（来源：TED）

数月之前，休·赫尔的助理告诉 DeepTech，57 岁的休·赫尔又要当父亲了。如今，仅隔数月之后，已发表一百多篇论文的他，再次公布其最新研究成果。

 

对于截肢患者而言，最大的挑战就是控制假肢，让假肢能像正常肢体一样运动。多数假肢采用肌电描记法（electromyography）来进行相应控制 ，这是一种记录肌肉电活动的方法，但该方法只能提供有限的控制能力。

 

而此次休·赫尔团队开发出一种名叫磁微测量法（MM，Magnetomicrometry）的新方法，其表示这能为假肢的运动提供更精确的控制。

图 | 休·赫尔（来源：资料图）

具体来说，这种磁微测量法（MM，Magnetomicrometry）的原理是把小磁珠植入截肢残肢的肌肉组织，即可在肌肉收缩时精确测量肌肉的长度，几毫秒内就能把相关反馈传递给仿生假肢。8 月 18 日，相关论文以《磁显微法》（Magnetomicrometry）为题发表在 Science Robotics 上。

图 | 相关论文（来源：Science Robotics）

休·赫尔希望磁显微法能取代传统的肌电描记法，并成为连接外周神经系统和仿生四肢的主要控制方式。得出这样的分析，是因为他认为磁显微法具备毫米级的高信号控制质量，实现成本也很低，很有商业价值。

 

磁显微法的另一个优点是磁珠一旦植入肌肉，就能永久性稳定工作于肌肉当中，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李庆国教授，和休·赫尔相识多年，两人经常会在领域会议上见面，他告诉 DeepTech 该研究旨在解决传感问题，外骨骼和假肢控制的重点在于识别用户的运动意图，因此也需要一个“大脑”来传递信号，但是传统外骨骼和假肢没有高层次“大脑”来进行指挥和控制，它们和人体也是分离的，所以通过新的传感方法将其和人结合，是该项研究未来可以考虑发展的终点。

（来源：Science Robotics）

神经元控制肌肉的原理是，大脑给予肌肉信号，这时肌肉就会收缩，并产生一般的运动。健全人的 腿部要运动时，大脑只要发出意识，肌肉就会启动收缩，腿部就会跟着运动。

休·赫尔希望这种信号能通过大脑传递到肌肉，但如果用外贴式的肌电传感器来进行测量，测量神经传导会很困难。不同以往，此次该团队是想直接测量肌 肉的运动特性，通过植入小磁球，就 能直接测量肌肉的运动特性，这样就无需再用外贴式肌电传感器来测量。

已在火鸡小腿上进行实验

当前的假肢是通过电极来对人体肌肉进行电测量，其中有两种方法，第一种是把电极连接到皮肤表面，第二种是通过手术植入肌肉。方法二的优点在于不仅成本高，同时还得植入人体，但它能提供更精确的测量。

 

这两种方法的共同缺点在于，肌电图只能提供肌肉活动信息，而无法提供肌肉的长度或速度数据。

 

举例来说，当假肢用户基于肌电图进行控制时，只能看到一个中间信号，即只能看到大脑发给肌肉的指令，而无法看到肌肉的实际执行情况。

 

针对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，就能算出肌肉收缩的程度和速度。

（来源：Science Robotics）

该想法始于他在两年前开发的一种算法，这种算法可大大减少传感器确定体内小磁球位置所需的时间。在该项研究中，该算法也帮助他克服了磁显微法控制假肢时的主要障碍，让测量结果得以实时接收。

 

实验中，休·赫尔还把磁球植入火鸡小腿肌肉中，以测试该算法的追踪能力。 为了避免磁球植入肌肉组织后发生运动，他们将磁珠直径设为 3 毫米，植入时至少间隔 3 厘米。

图 | 把磁球植入火鸡小腿肌肉中（来源：Science Robotics）

 

当移动火鸡的踝关节时，他们能以大约一根头发的宽度（约 37 微米）的精度来确定磁球的位置，相关数据的测量可在三毫秒内完成。

 

这些测量数据可被输入电脑主机当中以建立对应模型，根据其余肌肉的收缩情况，用户就能让假肢按照预期方式进行移动。磁显微法还可直接测量肌肉长度和肌肉速度。通过对整个肢体进行数学建模，即可计算出要控制的假肢关节的目标位置和速度

图 | 单个磁球的组织学研究（来源：Science Robotics）

 

李庆国分析称，电动的假肢很难识别用户意图，它一般使用外部信号来控制，比如位置传感器和肌电信号等。但这些信号都是外部信号，发生运动以后才能测到这些数据，测量之后仍需大量肌电处理。当运动状态发生改变时，肌电信号也会改变， 这可以说这二者存在着耦合，因此在控制上的可靠性很低。

 

休·赫尔团队一直想让神经接到传感器上，而此次工作的优点在于，使用了表面传感器，并通过安装一块磁球来测量肌肉长度和运动变化，该方法不仅不会给患者带来 创伤， 而且只需放置一些磁球即可在肌肉上测出相应的数据 ，就能测量出患者的肌肉运动意图，而再加上机器学习算法以及生物机体建模，则有 望实现较好的控制策略。

休·赫尔的中国学生如期回国发展，并已入职北航

未来，休·赫尔希望对膝盖以下截肢的患者开展一项研究，研究内容是把控制假肢的传感器放在衣服上，或者贴在皮肤表面，甚至贴在假肢外表面。

 

磁显微法还可通过一种被称为功能性电刺激的技术来改善肌肉控制，这种技术目前被用于帮助脊髓损伤患者恢复活动能力。磁控制的另一个潜在用途是引导机器人外骨骼，让它能连接到脚踝或其他关节上，以帮助中风患者或肌肉无力人群以进行运动。

 

休·赫尔说：“从本质上讲，磁球和外骨骼就像人工肌肉，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。”

图 | 磁场传感阵列（来源：Science Robotics）

但在未来仍有要攻克的难题，李庆国告诉 DeepTech，由于很难去控制人类运动和 机械运动之间的协同，因此把磁球固定在肌肉上并不容易，因为肌肉随时在动。 正因为如此，该团队此次先以火鸡为实验对象，想应用在人体上仍需更多研究。

谈及该团队希望磁显微法可在未来取代肌电图，并成为将周围神经系统与仿生肢体联系起来的主要方式。对此李庆国评论称，这一想法的初衷是让外骨骼和假肢能跟人体实现通畅的联接。人和机器的连接，是所有人机交互接口类研究都想解决该问题，否则机器仍旧是机器，人依旧是人，两者之间没有共同协调。

肌电图的方法是基于大量数据分析，在测量超前信息上，肌电图方法具有一定优势，而且肌电图无需对人体有任何侵入。而磁显微法还要做手术，磁球位置在人体中也可能会变化，时间久了可能仍然需要重做手术，而这也是休·赫尔的挑战之一。但总体来看，肌电图法可以和磁显微法并存，并不一定要互相替换。

李庆国告诉 DeepTech 人类运动和机械运动之间的协同很难控制，因此把磁铁球固定在肌肉上也并不容易，因为肌肉随时在动，会造成磁铁球位置的漂移。正因此，休·赫尔团队此次先从火鸡做起，想在人体上仍然需要更多研究。可以说，处理磁铁球和人体肌肉的连接，是下一步该团队面临的挑战。

总体而言，休·赫尔团队的研究，正走在世界前沿。而此前

图 | 杨兴帮（来源：受访者）

在 MIT 做博后期间，杨兴帮曾和休·赫尔合作发表过题为《可实现跖屈 - 背屈双向运动辅助的线缆驱动可携带式踝关节外骨骼》的论文。

如今，杨兴帮和家人都已定居北京，这位本科和直博均毕业于北航的 90 后，从一开始到 MIT 就决定学成回国。而休·赫尔团队的经验，必将给杨兴帮在北航的研究带来帮助。

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