克利夫兰诊所仿生集成实验室的研究小组正在观察触摸机器人系统的内部。每个小黑盒通过神经-机器接口向用户提供单独的手指感觉。功劳:克利夫兰诊所根据发表在《科学机器人学》上的新发现，克利夫兰诊所的研究人员为上肢截肢患者设计了一种首创的仿生手臂，使佩戴者能够像没有截肢的人一样思考、行为和功能。克利夫兰诊所领导的国际研究团队开发了仿生系统，该系统结合了三个重要功能——直观的运动控制、触摸和抓握动觉、张开和闭合手的直观感觉。合作者包括艾伯塔大学和新不伦瑞克大学。
首席研究员、克利夫兰诊所勒纳研究所生物医学工程系副教授保罗·马拉斯科博士说:“我们用这种复杂的仿生系统改造了一种护理标准假肢，使佩戴者能够更直观地移动假肢，同时感受到触摸和运动的感觉。"这些发现是为截肢患者提供完全恢复自然手臂功能的重要一步."
该系统是第一个在假肢中同时测试神经-机器接口中所有三种感觉和运动功能的系统。神经机接口与佩戴者的肢体神经相连。它使患者能够在需要我们或移动假肢时，将神经脉冲从大脑发送到假肢，并从环境中接收身体信息，通过神经将其传递回大脑。
克利夫兰诊所的研究人员开发了仿生手臂，可以恢复上肢截肢患者的自然行为。Credit: Cleveland Clinic研究人员在两名上肢截肢的研究参与者身上测试了他们的新仿生肢体，这些参与者之前接受过定向感觉和运动神经再支配——通过将截肢的神经重定向到剩余的皮肤和肌肉来建立神经-机器接口的过程。由于研究规模较小，额外的研究将是重要的。
在有针对性的感觉神经再支配中，用小机器人触摸皮肤会激活感觉感受器，使患者能够感知触觉。在目标运动神经移植中，当患者考虑移动他们的四肢时，神经移植的肌肉与计算机化的假体通信，以同样的方式移动。此外，小而强大的机器人振动这些肌肉中的动觉感觉感受器，这有助于假肢佩戴者感觉到他们的手和手臂在移动。
具有抓握运动感觉和触觉的仿生假肢。功劳:克利夫兰诊所当我们分享先进的假肢时，参与者执行的任务反映了需要手和手臂功能的基本日常行为。通过他们新开发的先进评估工具，研究人员评估了与非残疾人和使用传统假肢的截肢者相比，仿生肢体的表现如何。他们还比较了当三种感觉和运动模式同时启用时，与单独启用时，拥有先进假肢的人的表现。
据马拉斯科博士说，由于传统假肢的人无法用四肢感觉，他们在日常生活中完成任务时的行为与没有截肢的人不同。例如，传统的假肢佩戴者在使用假肢时必须经常观察假肢，并且当他们用手施加太大或很小的力时，很难学会纠正错误。
克利夫兰诊所的一名参与者带着她先进的义肢，可以感受抓握运动的感觉，触摸指尖，并通过思考直观地进行控制。她在手臂和身体上戴着反光标记，帮助电脑在3D环境中看到她的动作。她的眼镜可以让电脑准确地看到她眼睛周围的空间。信用:克利夫兰诊所有了新的人工手臂和先进的评估工具，研究人员可以看到研究参与者的大脑和行为策略发生了变化，以匹配那些没有截肢的人。他们不再需要观察他们的假肢，他们可以不用看就找到东西，他们可以更有效地纠正他们的错误。
“在过去的十几二十年里，假肢的进步帮助佩戴者获得了更好的功能，并独自管理日常生活，”马拉斯科博士说。“有史以来第一次，上肢截肢的人现在能够再次像健全人一样‘思考’，这将为假肢佩戴者提供新的无缝重返日常生活的水平。”
克利夫兰诊所的研究人员对仿生手臂系统进行了调整，通过她的神经-机器接口为研究参与者提供抓握动觉的感知。信用:克利夫兰诊所除了这项研究之外，国际团队为评估仿生系统而开发的与大脑行为和功能相关的新结果测量可以应用于任何涉及感觉和运动的上肢假肢或缺损。
这项研究部分由国防部的一个研发部门——国防高级研究计划局资助。2018年，马拉斯科博士在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)上发表了一篇开创性的论文，内容是一种恢复假肢患者自然运动感觉的新方法。
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