双腿截肢后，他成为“仿生宗师”，研制假肢和真的一样
医学界
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“残疾”可能是个要重新定义的词
撰文 | 燕小六
吉姆·尤因（Jim Ewing）的左腿膝关节以下部位，因攀岩坠落后不愈，需要截肢。从手术开始，他被邀请加入麻省理工学院（MIT）一个研究项目。
图片说明：吉姆·尤因（Jim Ewing）在麻省理工学院媒体实验室测试自己的假肢。/STAT
术后，他装了假肢。过了一段时间，研究团队邀请他到实验室，进行测评：“活动活动你的脚尖，向上、向下。走两步，上楼梯，再下来。”
忙碌一天后，研究团队和尤因坐着聊天。他们发现，尤因好像有些不耐烦，“因为他一直在抖脚”。
“你能停下吗？”研究团队告诉尤因。后者笑了笑——那一刻，他的脚停住了。
因着“本体感受”，四肢健全者即使闭着眼，也能准确感知到肢体位置、速度和扭矩。“现在，我们可以让假肢也拥有'本体感受’，实现精准的运动控制。”麻省理工学院仿生学教授休・赫尔（Hugh Herr）告诉STAT。
赫尔曾被《时代》周刊评为“仿生学时代宗师、领袖”。“我的膝盖以下完全是人造的——钛、碳、硅、12个微型计算机、5个传感器。我可以随意调节身高。情绪低落、需要提振精神的时候，就让自己高一点，最高能达8英尺（约244厘米）；志得意满时，就矮一点，差不多5英尺（约152厘米）。毕竟也要给竞争者一点机会。”
图片说明：2016年10月21日，休·赫尔出席西班牙“阿斯图里亚斯女亲王奖”颁奖典礼。/WireImage
休・赫尔曾是“攀岩天才”。8岁时，他登顶位于落基山脉、海拔3544米的圣殿山（Mount Temple）。17岁时，登山界预测他将位列全球高手榜。
但1982年，赫尔与同伴在登山中遭遇暴风雪。在寻找出路时，赫尔掉进一个冰窟窿，被严重冻伤。获救后，他经历了7次手术，却没能保住双腿。
截肢后仅5个月，赫尔就在假肢帮助下重新攀岩，水平不亚于截肢前。“我找到一家机械厂，用橡胶、金属、塑料和木材，制作自己的假肢，使它们更符合攀岩要求。”
图片说明：赫尔会根据岩壁特性，使用不同结构和材质的假肢。/Mojagear
赫尔曾开玩笑说，截肢前自己考试经常得D或F，截肢后头脑似乎越来越聪明。
本科时，他就读于宾夕法尼亚米勒斯维尔大学物理专业，研究出“假肢护袜”。这一成果使他获得MIT青睐、并被录取，此后获得机械工程硕士学位。再接着，他拿到哈佛大学生物物理学博士学位。
目前，赫尔是MIT媒体实验室（Media Lab）教授，也是该校生物机电一体化研究小组主任，并共同领导MIT高端仿生学中心。
图片来源于4inspiration
MIT媒体实验室是个“超酷”的地方。它的申请表上有这样一段话：“如果你可以在其他任何学术机构得到一个工作，请不要申请这里。”“这里需要的是不适合在其他任何地方就职的人”。
“这里是一个期待'拓展人类’的地方。这里所有的研究都指向未来，拥抱开放，为了永无止境的创新。”MIT前主任如是说。
“我的逻辑是，一个人永远不会残疾，科技才是有缺陷的、始终在不断升级。”赫尔非常厌恶“残疾人”（disabled）这个说法。而在他的假肢研究中，“健全”和“残障”这两个大相径庭的定义，正日渐失去泾渭。
图片来源于Medgadget
这么多年来，赫尔一直在观察和研究走路时人体每一块肌肉如何协调、运动。他把细节记录下来，做成分析报告，接着用机器去模拟。
基于模型和模拟数据，他研制出世界首款能以正常步态行走的仿生踝足假肢，名为PowerFoot One。和传统假肢不同的是，仿生假肢拥有传感器和微处理器，能“主动学习和思考”。
使用者只需挪一小步，传感器就能感知到运动，自动记录、分析力度、速度、路面坡度等。接着，微处理器会做出计算，调整假肢状态，模拟肌肉和跟腱运动，以适应行走场景。这一串看似复杂的多步运算，不到1秒就完成了。
2013年4月15日，美国波士顿马拉松比赛终点发生大爆炸。“当时，我在西班牙圣地亚哥徒步旅行。被困在媒体实验室的学生们告诉我一切。我知道受害者将经历什么。更重要的是，我知道他们需要什么帮助。”赫尔回忆。
他和团队花费200天，为爆炸案受害者阿德里安娜·海斯莱特·戴维斯（Adrianne Haslet Davis）定制仿生假肢。
戴维斯是专业舞蹈老师，在爆炸中失去左腿。2014年，她穿着仿生肢体，受赫尔邀请、登上TED“舞台”，一展舞技。
过去十几年间，赫尔发表150余篇经同行评议的论文，持有100多项专利。除仿生假肢，赫尔还研究，把一些微小的嵌入式阵列植入大脑，以治疗抑郁症等疾病。
赫尔告诉STAT，自己最引以为傲的，是和团队研究升级截肢手术，提出“激动剂-拮抗剂肌神经接触术（agonist-antagonist myoneural interface，AMI）”。
传统截肢手术就是“切掉”。这会干扰神经肌肉关系，影响中枢神经的运动信号回路。甚至有些人术后会出现长期幻肢痛。
AMI要用到两个相对的肌肉肌腱，它们被称为激动剂和拮抗剂。外科手术需将其连接，以便一块肌肉收缩并缩短时，无论是意志力还是电子激活，另一块肌肉能出现同样的拉伸反应。
这种耦合运动会触发肌腱中的神经生物传感器，将电信号传输至中枢神经系统，表达肌肉长度、速度和力量等信息。信息被大脑翻译为假肢的“本体感受”，再反馈回中枢神经系统。随后，中枢神经系统就能向假肢直接发送运动指令了。
第一位接受AMI截肢的，就是尤因。他是赫尔的朋友，也酷爱攀岩。
坠落受伤后，他接受数年康复，但无法摆脱幻肢痛。在赫尔的鼓励下，尤因接受医生手术方案：在残肢中建造两个AMI，一个控制仿生假体踝关节，另一个控制假体距下关节。
“为了感谢他，我们给手术想了个名字，叫'尤因截肢术’。”美国哈佛大学医学院附属布莱根妇女医院手术团队称。
图片来源于MIT
手术后，研究团队比较了尤因与4名传统膝下截肢者的运动情况。他们发现，尤因对假肢的运动控制更稳定、有效。他能很快做出自然反射行为。比如，下楼梯时，脚会顺势往下伸。
“这就像尤因的脑子接受假肢，认为它是身体的一部分。”项目负责人表示。
2020年12月，MIT团队发布非盲研究，比较15名AMI术式者与7名传统膝下截肢者的手术结果。肌电图显示，AMI组报告疼痛更少。同时，功能性MRI扫描显示，AMI组在脑子里想象着移动患肢时，与本体感觉相关的大脑部分就会“高亮”。这表明AMI术完全恢复了患者感知四肢位置和运动的能力。
图片来源于MIT
STAT统计，2016年至今，美国已有30人接受单腿或双腿AMI截肢。包括美国残奥会游泳运动员摩根·斯蒂克尼（Morgan Stickney）。
2018年5月，斯蒂克尼完成左腿AMI截肢。次年10月，她的右腿被确诊患有极罕见的血管疾病，出现严重的骨质疏松伴有骨感染，然后接受“尤因截肢术”。
“现在，我跳进游泳池，我能感觉到它们还在，水包围着我的腿。”在刚刚过去的2020年东京残奥会上，斯蒂克尼赢得两枚游泳金牌。
图片说明：摩根·斯蒂克尼（Morgan Stickney）/Twitter morganstickney9
2020年，AMI用于上肢截肢的临床研究已经开始。在战争中失去右臂的退伍军人杰里·马耶蒂奇（Jerry Majetich），是第一个“吃螃蟹的人”，在布莱根妇女医院完成手术。
在后续康复测试中，外科医生要求其握拳、竖起大拇指。
“你可以看到，在前臂皮肤下，肌肉弯曲、隆起。我能感觉到它们。”马耶蒂奇告诉医生，自己的手臂就在那里，与残肢相连。“所有的手指都在正确位置上。”
图片说明：布莱根妇女医院外科医生马修·卡蒂（Matthew Carty）在为杰里·马耶蒂奇进行检查。/STAT
今年8月，Science Robotics发表文章《磁微测量法》（Magnetomicrometry）。这是赫尔团队的最新成果。
赫尔表示，当前的假肢主要通过电极，来进行人体肌肉的电测量。它包括两种方法，第一是将电极贴到皮肤表面，第二种是通过手术植入肌肉。方法二能提供更精准的数据，但其成本高，而且有创。此外，两种方法都只能提供肌肉活动信息，无法提供肌肉长度或速度数据。
图片来源于MIT
赫尔设想的是：在肌肉中植入一对磁球，通过测量磁球的相对运动，以推算出肌肉收缩时的程度和速度。
研究团队在火鸡的小腿肌肉中，测试了这一方法。结果显示，火鸡移动踝关节时，他们能以约一根头发直径（约37微米）的精度，来确定磁球位置。测量可在3毫秒内完成。
测量数据被输入电脑，建立对应模型。赫尔称，下一步，要将磁珠升级为连接外周神经系统和仿生四肢的主要控制方式。其成本低，一旦植入肌肉，就能永久、稳定地工作，无需更换。
“我始终相信，机器和人体的融合是一个不可避免的趋势。”赫尔表示，“100年后，我们将瓦解一系列狭隘的看法，包括什么是人、什么是美、什么是残障。我想在未来20年见证这种'身体炼金术’。”
资料来源：
[1]'I can still feel it’:Groundbreaking arm amputation surgery makes a'phantom’hand seem real.STAT
[2]Pioneering surgery makes a prosthetic foot feel like the real thing.STAT
[3]Neuromuscular mapping(IMAGE).Eurekalert
[4]Surgical technique improves sensation,control of prosthetic limb.MIT
[5]Hugh Herr:Reinventing the human machine.4inspiration
[6]Magnetomicrometry.SCIENCE ROBOTICS.Aug 2021.Vol 6,Issue 57.DOI:10.1126/scirobotics.abg0656