四十年前，在一場電氣事故中，Les Baugh失去了雙臂。由於是齊肩截斷，多年以來他能夠選擇的義肢手臂一度受限。但是在兩年前，這一情況發生了改變。Baugh在約翰霍普金斯醫院接受了外科手術，他可以通過使用胸部的神經來操控先進的機械手臂了。在10天的訓練之後，他可以同時控製雙側機械手臂完成一些動作，比如將杯子從一個低的架子上放到高的架子上，這在以前是一個不可能完成的任務。

        這隻是其中一個讓人印象深刻的技術進步，在近幾年中很多假肢設備的技術都取得了不錯的進展。無論是用機械模擬人類膝關節還是用腦信號控製機械手臂，全球範圍內的研究者都在挖空心思讓各種義肢能夠更好。矯正設備同樣取得了不錯的進展，可以幫助士兵更舒適的負重，幫助中風患者更好的控製肢體運動等。

更好的膝蓋

        其實，你可以從橡皮筋的物理中學到很多東西。Heike Vallery博士開發了一款新型假肢設備，旨在幫助那些膝蓋上部截肢的人群能夠保持一個非常有活力的生活方式。

        “現在的很多設備依然讓他們的生活受限，”Vallery表示，她是荷蘭代爾伏特理工大學機械工程的副教授。“我們試圖複製人類膝關節的靈活性。”

        這款基於ANGELAA(對角依賴性彈性製動器)理論的義肢重量很輕，與真實人腿一樣重。當邁出一步時，機動膝蓋假肢能夠複製人類膝蓋生理變化的剛度。為了開發這個原型，Vallery和她的同事們研究了人類膝關節的扭矩和剛度在步態周期中的變化，並把它做成了一個函數。

        現在，患者已經可以成功使用這款設備在實驗室中走路和爬樓梯，也許未來它也可以讓用戶跑步，開發者現在還未測試這樣的應用。

        Vallery希望以後能夠在假肢中使用更輕盈的材料。現在這款設備麵對的主要挑戰是供能的問題。目前，ANGELAA假肢與一台電腦和電源相連接，這無疑是個弱點。不過，有一些其他的團隊目前正在研發技術，利用身體的動能積蓄給假肢供能。例如，位於加拿大不列顛哥倫比亞省的Bionic Powe公司，以及位於賓夕法尼亞州的KCF Technologies，都在開發新技術，可以允許假肢通過步行自行充電。

        另一個挑戰是改善假肢與腿部的接觸麵。Vallery指出，還希望價值可以更加智能，這樣它可以通過人類肌肉係統控製，她說所有的終極目標就是“使人成為設備真正的主人。”

機電假肢腿

        很多團隊都在致力於開發機電假肢的工作。來自芝加哥康複學院神經工程假肢和矯形實驗室的Levi Hargrove博士和他的多學科(康複)綜合團隊通過皮膚電極收集肌動電流圖(EMG)信號，並將之解碼用於控製機器人腿部。

        “它們記錄由肌肉產生的電信號——甚至截肢的肌肉產生的這些，” Hargrove解釋道，“我們對這些信號進行解碼並告訴(假)腿該如何行動。”

        EMG信號與來自假肢上的傳感器的信號集成，產生一個控製係統，根據用戶的需要自動調整站立、爬樓梯、走向上或向下的斜坡等腿部動作。

        在測試剛剛開始時，會要求人們在家中使用。“這是非常重要的，我們要檢查它對於用話來說是否安全、可靠，” Hargrove指出。跟據現在的情況，Hargrove預計產品走向市場需要5年的時間。“對於假肢領域這是一個相當短的時間表，”他說。

機器人手

        腿並不是唯一整合EMG信號的義肢。最新的一項商業假肢手也應用了肌電原理。德國假肢公司Ottobock開發了Michelangelo假手，通過主驅動器控製七種可能的抓握類型。來自英國假肢公司Steeper的 bebionic3則技高一籌，有14中抓握模式。

        這些肌電機器人手可以使截肢的用戶完成一些日常的任務，例如吃東西、打字、搬運物品、穿鞋以及開門等。隻有一個問題這些機械手不能做，就是對於手部所做的動作給予觸覺反饋。

        來自意大利生物仿生學研究所的Christian Cipriani博士和他的同事們一直在開發肌電控製的機械手，它通過離散震動觸覺向用戶提供手部的感官反饋。

        “每當你接觸和釋放一個物體時，你都能感覺到這種微小的振動，”他解釋說。這些振動被傳遞到大腦，在那裏有助於提高電機的控製。

        例如，當一個人用杯子喝水時，他會感覺到前肢接觸到杯子的振動，這會告訴大腦自動執行下一個環節，拿起杯子。

        2015年的研究中，五名患者嚐試了這款DESC手套(discrete event-driven sensory feedback control glove)。為期一個月的家用試驗和實驗室測試表明，整合傳感器反饋能夠改善患者對他們假肢的控製。

定向肌肉神經再支配

        對於Les Baugh這樣肘部以上以及肩部截肢的人群來說，一項被稱為定向肌肉神經再支配的前沿技術徹底改變了曾經的遊戲規則——尤其是肩部截肢的人群現在無法使用其他的義肢設備。

        “我看到過他們淚流滿麵，”來自約翰霍普金斯應用物理實驗室的首席工程師Michael McLoughlin先生說，“在長達十年甚至更久的截肢之後，他們突然可以再次移動他們的手臂，這是對於患者來說是個有力的經曆。”

        在定向肌肉神經再支配這項技術中，控製手臂、手腕以及手部運動的神經被搭載到其他的肌肉上，例如胸部的肌肉。表麵電極搜集來自這些肌肉的EMG信號，模式識別算法轉換這些信號，然後他們可以控製機械假肢手臂的運動了。

        機械手上有近200個傳感器，包括手腕上以及指尖上的扭矩力及壓力傳感器。隻是這款產品還處於原型階段，用戶還不能在家裏使用它們。

        McLoughlin先生說，現在沒有一個足夠大的市場，使雙臂在商業上可行，“但是可以肯定的是技術準備好了。”

        另外一種擴大這個技術使用的範圍是將之應用於矯形設備。設想一下，有一種類似於外骨骼的設備可以幫助中風的患者。事實上，這種矯形外骨骼已經在開發當中了。

可穿戴機器人

        哈佛大學威斯研究所正在開發一種動力服裝。

        研究人員Conor Walsh 說，“這種軟性可穿戴機器人是用織物與人體接觸的，我們通過馬達和電纜的力量對人體的腿部關節提供援助。”

        圖中是哈佛大學威斯研究所開發的軟性機器人的原型。

        雖然設備仍處於早期開發階段，但是團隊已經讓幾位士兵對這款動力服裝進行了測試。測試表明這種動力服裝能夠幫助軍事人員進行更好的負重任務。

        團隊還在測試中風患者對這款設備的使用。“我們希望可以幫助他們更省力的走路，這樣就更容易使自己的步態均衡，” Walsh 說。

        下一代的假肢和矯形設備無疑有著巨大的商業潛力，對於很多人來說，有一天假肢和外骨骼等設備不僅僅是一個假肢和工具，也是我們身體的一部分，是自己身體的延伸。