雙腿截肢後，他成為“仿生宗師”，研製假肢和真的一樣_風聞

　　“殘疾”可能是個要重新定義的詞

　　撰文 | 燕小六

　　吉姆·尤因（Jim Ewing）的左腿膝關節以下部位，因攀巖墜落後不愈，需要截肢。從手術開始，他被邀請加入麻省理工學院（MIT）一個研究項目。

　　圖片説明：吉姆·尤因（Jim Ewing）在麻省理工學院媒體實驗室測試自己的假肢。/STAT

　　術後，他裝了假肢。過了一段時間，研究團隊邀請他到實驗室，進行測評：“活動活動你的腳尖，向上、向下。走兩步，上樓梯，再下來。”

　　忙碌一天後，研究團隊和尤因坐着聊天。他們發現，尤因好像有些不耐煩，“因為他一直在抖腳”。

　　“你能停下嗎？”研究團隊告訴尤因。後者笑了笑——那一刻，他的腳停住了。

　　因着“本體感受”，四肢健全者即使閉着眼，也能準確感知到肢體位置、速度和扭矩。“現在，我們可以讓假肢也擁有‘本體感受’，實現精準的運動控制。”麻省理工學院仿生學教授休・赫爾（Hugh Herr）告訴STAT。

　　赫爾曾被《時代》週刊評為“仿生學時代宗師、領袖”。“我的膝蓋以下完全是人造的——鈦、碳、硅、12個微型計算機、5個傳感器。我可以隨意調節身高。情緒低落、需要提振精神的時候，就讓自己高一點，最高能達8英尺（約244釐米）；志得意滿時，就矮一點，差不多5英尺（約152釐米）。畢竟也要給競爭者一點機會。”

　　圖片説明：2016年10月21日，休·赫爾出席西班牙“阿斯圖里亞斯女親王獎”頒獎典禮。/WireImage

　　休・赫爾曾是“攀巖天才”。8歲時，他登頂位於落基山脈、海拔3544米的聖殿山（Mount Temple）。17歲時，登山界預測他將位列全球高手榜。

　　但1982年，赫爾與同伴在登山中遭遇暴風雪。在尋找出路時，赫爾掉進一個冰窟窿，被嚴重凍傷。獲救後，他經歷了7次手術，卻沒能保住雙腿。

　　截肢後僅5個月，赫爾就在假肢幫助下重新攀巖，水平不亞於截肢前。“我找到一家機械廠，用橡膠、金屬、塑料和木材，製作自己的假肢，使它們更符合攀巖要求。”

　　圖片説明：赫爾會根據巖壁特性，使用不同結構和材質的假肢。/Mojagear

　　赫爾曾開玩笑説，截肢前自己考試經常得D或F，截肢後頭腦似乎越來越聰明。

　　本科時，他就讀於賓夕法尼亞米勒斯維爾大學物理專業，研究出“假肢護襪”。這一成果使他獲得MIT青睞、並被錄取，此後獲得機械工程碩士學位。再接着，他拿到哈佛大學生物物理學博士學位。

　　目前，赫爾是MIT媒體實驗室（Media Lab）教授，也是該校生物機電一體化研究小組主任，並共同領導MIT高端仿生學中心。

　　圖片來源於4inspiration

　　MIT媒體實驗室是個“超酷”的地方。它的申請表上有這樣一段話：“如果你可以在其他任何學術機構得到一個工作，請不要申請這裏。”“這裏需要的是不適合在其他任何地方就職的人”。

　　“這裏是一個期待‘拓展人類’的地方。這裏所有的研究都指向未來，擁抱開放，為了永無止境的創新。”MIT前主任如是説。

　　“我的邏輯是，一個人永遠不會殘疾，科技才是有缺陷的、始終在不斷升級。”赫爾非常厭惡“殘疾人”（disabled）這個説法。而在他的假肢研究中，“健全”和“殘障”這兩個大相徑庭的定義，正日漸失去涇渭。

　　圖片來源於Medgadget

　　這麼多年來，赫爾一直在觀察和研究走路時人體每一塊肌肉如何協調、運動。他把細節記錄下來，做成分析報告，接着用機器去模擬。

　　基於模型和模擬數據，他研製出世界首款能以正常步態行走的仿生踝足假肢，名為PowerFoot One。和傳統假肢不同的是，仿生假肢擁有傳感器和微處理器，能“主動學習和思考”。

　　使用者只需挪一小步，傳感器就能感知到運動，自動記錄、分析力度、速度、路面坡度等。接着，微處理器會做出計算，調整假肢狀態，模擬肌肉和跟腱運動，以適應行走場景。這一串看似複雜的多步運算，不到1秒就完成了。

　　2013年4月15日，美國波士頓馬拉松比賽終點發生大爆炸。“當時，我在西班牙聖地亞哥徒步旅行。被困在媒體實驗室的學生們告訴我一切。我知道受害者將經歷什麼。更重要的是，我知道他們需要什麼幫助。”赫爾回憶。

　　他和團隊花費200天，為爆炸案受害者阿德里安娜·海斯萊特·戴維斯（Adrianne Haslet Davis）定製仿生假肢。

　　戴維斯是專業舞蹈老師，在爆炸中失去左腿。2014年，她穿着仿生肢體，受赫爾邀請、登上TED“舞台”，一展舞技。

　　過去十幾年間，赫爾發表150餘篇經同行評議的論文，持有100多項專利。除仿生假肢，赫爾還研究，把一些微小的嵌入式陣列植入大腦，以治療抑鬱症等疾病。

　　赫爾告訴STAT，自己最引以為傲的，是和團隊研究升級截肢手術，提出“激動劑-拮抗劑肌神經接觸術（agonist-antagonist myoneural interface，AMI）”。

　　傳統截肢手術就是“切掉”。這會干擾神經肌肉關係，影響中樞神經的運動信號迴路。甚至有些人術後會出現長期幻肢痛。

　　AMI要用到兩個相對的肌肉肌腱，它們被稱為激動劑和拮抗劑。外科手術需將其連接，以便一塊肌肉收縮並縮短時，無論是意志力還是電子激活，另一塊肌肉能出現同樣的拉伸反應。

　　這種耦合運動會觸發肌腱中的神經生物傳感器，將電信號傳輸至中樞神經系統，表達肌肉長度、速度和力量等信息。信息被大腦翻譯為假肢的“本體感受”，再反饋回中樞神經系統。隨後，中樞神經系統就能向假肢直接發送運動指令了。

　　第一位接受AMI截肢的，就是尤因。他是赫爾的朋友，也酷愛攀巖。

　　墜落受傷後，他接受數年康復，但無法擺脱幻肢痛。在赫爾的鼓勵下，尤因接受醫生手術方案：在殘肢中建造兩個AMI，一個控制仿生假體踝關節，另一個控制假體距下關節。

　　“為了感謝他，我們給手術想了個名字，叫‘尤因截肢術’。”美國哈佛大學醫學院附屬布萊根婦女醫院手術團隊稱。

　　圖片來源於MIT

　　手術後，研究團隊比較了尤因與4名傳統膝下截肢者的運動情況。他們發現，尤因對假肢的運動控制更穩定、有效。他能很快做出自然反射行為。比如，下樓梯時，腳會順勢往下伸。

　　“這就像尤因的腦子接受假肢，認為它是身體的一部分。”項目負責人表示。

　　2020年12月，MIT團隊發佈非盲研究，比較15名AMI術式者與7名傳統膝下截肢者的手術結果。肌電圖顯示，AMI組報告疼痛更少。同時，功能性MRI掃描顯示，AMI組在腦子裏想象着移動患肢時，與本體感覺相關的大腦部分就會“高亮”。這表明AMI術完全恢復了患者感知四肢位置和運動的能力。

　　圖片來源於MIT

　　STAT統計，2016年至今，美國已有30人接受單腿或雙腿AMI截肢。包括美國殘奧會游泳運動員摩根·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，她的右腿被確診患有極罕見的血管疾病，出現嚴重的骨質疏鬆伴有骨感染，然後接受“尤因截肢術”。

　　“現在，我跳進游泳池，我能感覺到它們還在，水包圍着我的腿。”在剛剛過去的2020年東京殘奧會上，斯蒂克尼贏得兩枚游泳金牌。

　　圖片説明：摩根·斯蒂克尼（Morgan Stickney）/Twitter morganstickney9

　　2020年，AMI用於上肢截肢的臨牀研究已經開始。在戰爭中失去右臂的退伍軍人傑裏·馬耶蒂奇（Jerry Majetich），是第一個“吃螃蟹的人”，在布萊根婦女醫院完成手術。

　　在後續康復測試中，外科醫生要求其握拳、豎起大拇指。

　　“你可以看到，在前臂皮膚下，肌肉彎曲、隆起。我能感覺到它們。”馬耶蒂奇告訴醫生，自己的手臂就在那裏，與殘肢相連。“所有的手指都在正確位置上。”

　　圖片説明：布萊根婦女醫院外科醫生馬修·卡蒂（Matthew Carty）在為傑裏·馬耶蒂奇進行檢查。/STAT

　　今年8月，Science Robotics發表文章《磁微測量法》（Magnetomicrometry）。這是赫爾團隊的最新成果。

　　赫爾表示，當前的假肢主要通過電極，來進行人體肌肉的電測量。它包括兩種方法，第一是將電極貼到皮膚表面，第二種是通過手術植入肌肉。方法二能提供更精準的數據，但其成本高，而且有創。此外，兩種方法都只能提供肌肉活動信息，無法提供肌肉長度或速度數據。

　　圖片來源於MIT

　　赫爾設想的是：在肌肉中植入一對磁球，通過測量磁球的相對運動，以推算出肌肉收縮時的程度和速度。

　　研究團隊在火雞的小腿肌肉中，測試了這一方法。結果顯示，火雞移動踝關節時，他們能以約一根頭髮直徑（約37微米）的精度，來確定磁球位置。測量可在3毫秒內完成。

　　測量數據被輸入電腦，建立對應模型。赫爾稱，下一步，要將磁珠升級為連接外周神經系統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、穩定地工作，無需更換。

　　“我始終相信，機器和人體的融合是一個不可避免的趨勢。”赫爾表示，“100年後，我們將瓦解一系列狹隘的看法，包括什麼是人、什麼是美、什麼是殘障。我想在未來20年見證這種‘身體鍊金術’。”

　　資料來源：

　　[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