（來源：MIT News）

近日，麻省理工學院（MIT）的研究人員宣布開發出一種新型仿生膝關節，可幫助膝上截肢者走得更快、爬樓梯更省力、躲避障礙物也更輕松，性能優于傳統假肢。

與傳統假肢將殘肢插入接受腔不同，這套新系統直接與使用者的肌肉和骨組織整合。這樣不僅提高了穩定性，還讓用戶對假肢動作擁有更強的控制能力。

在一項小規模臨床研究中，參與者普遍感覺這條“腿”更像自己身體的一部分，而傳統膝上截肢者難以獲得這種“身體歸屬感”。

相關文章以題為“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”發表在Science期刊。麻省理工學院 Hugh Herr 教授為通訊作者，他在一次攀巖旅行中遭遇暴風雪，導致雙腿膝蓋以下截肢，博士生 Tony Shu 為第一作者兼通訊。

圖 | Hugh Herr

更精準的控制

過去幾年，Herr 實驗室一直在開發新型假肢，能從截肢后殘留的肌群中提取神經信號，并用這些信號來指引假肢運動。

傳統截肢手術通常會切斷成對的拮抗肌，使它們無法交替收縮與拉伸，破壞了肌肉之間天然的“拮抗—協同”關系。這種破壞讓神經系統難以感知肌肉的位置和收縮速度。

Herr 團隊開發了一種名為拮抗肌-神經接口（AMI） 的新術式：術中把原本成對的肌肉重新連接，使它們在殘肢內仍能相互動態通信。這種本體感覺反饋幫助佩戴者決定如何移動假肢，同時產生可用來控制假肢的電信號。

2024 年的一項研究顯示，接受 AMI 手術的小腿截肢者行走速度更快、避障動作更自然，明顯優于傳統小腿截肢者。

在新研究中，團隊將 AMI 技術擴展到膝上截肢人群。他們希望系統不僅能通過 AMI 讀取肌肉信號，還能直接與骨骼整合，帶來更高穩定性和更精準的感覺反饋。

為此，研究人員設計了一種手術：在截肢端殘留的股骨內植入鈦合金柄（e-OPRA）。該植入物比傳統接受腔提供更優的機械控制與負重能力，同時內置 16 根導線，采集體內 AMI 肌肉上的電極信號，實現更高保真的肌電轉導。

這套骨整合系統把 AMI 信號實時傳輸給專為本次研究開發的機器人控制器，后者據此計算用戶期望的膝關節力矩，驅動假肢完成動作。

“所有部件協同工作，使信息進出身體更順暢，與設備機械接口更自然。”Shu 說，“我們把負荷直接交給本應受力的骨骼，而不是擠壓軟組織，既不適又易感染。”

實驗中，兩位受試者接受了 AMI+e-OPRA 聯合系統，即“骨整合肌-神經假肢”（OMP）。研究團隊將他們與僅做 AMI 手術的 8 人以及既無 AMI 也無 e-OPRA 的 7 人進行對比，所有受試者均試用了實驗室開發的實驗型動力膝假肢。

測試任務包括：精準屈膝至指定角度、上下樓梯、跨越障礙。結果顯示，在大多數任務中，OMP 用戶表現優于僅做 AMI 的受試者，更遠超傳統假肢用戶。

范德堡大學機械工程教授、智能機電中心主任 Michael Goldfarb（未參與研究）評價道：“這篇論文實現了科學界長期以來的愿景——一條完全生理整合、可由意志控制的機器人腿。這項工作極其困難，作者們值得高度贊譽。”

身體歸屬感

除了評估步態與其他動作，研究團隊還設計了一系列問卷，專門衡量受試者對假肢的“身體歸屬感”——即他們把這條機械腿視為自身一部分的程度。

問卷問題包括：是否感覺自己仍有兩條腿？是否認為假肢是身體的一部分？是否覺得自己能掌控假肢？每個問題都旨在評估受試者的“能動性”“設備歸屬”以及“身體表征”。

結果顯示，隨著實驗推進，兩名接受 OMP 系統的受試者在能動性和歸屬感的提升幅度上，遠高于其他組。

Herr 指出：“這篇論文的另一大意義在于，它深入探討了身體歸屬問題，并顯示這種整合方式顯著增強了歸屬感。無論機器人假肢的 AI 系統多先進，如果只是外部工具，用戶始終覺得它是‘外物’。而采用組織整合方法后，當你問使用者‘什么是你的身體’時，整合程度越高，他們越會說‘假肢就是我的一部分’。”

目前，AMI 手術已在 Brigham and Women’s Hospital 常規應用于小腿截肢患者，Herr 預計很快也會成為大腿截肢的標準術式。而 OMP 復合系統仍需更大規模臨床試驗以獲得 FDA 批準，這一過程預計需五年左右。

1.https://news.mit.edu/2025/bionic-knee-integrated-into-tissue-can-restore-natural-movement-0710