作者：Anne Trafton
編輯：吳海波
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傳統義肢雖然能幫助截肢者恢復部分活動能力，但始終難以媲美真實的身體體驗。而MIT的新研究，將神經訊號、肌肉控制和骨骼融合為一體，打造出一種“能感覺、能控制、能承重”的仿生膝關節。不僅提升行動力，更讓使用者真正“感覺它是身體的一部分”。這不僅是一項技術突破，更是一場身體認知的革命。
圖片來源：MIT News
麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出一種新型仿生膝關節，有助於大腿截肢者比使用傳統義肢更快地行走、上下樓梯，以及靈活避障。
與傳統義肢通常透過“套筒”固定在殘肢外不同，這款新系統直接與使用者的肌肉和骨組織融合，提供了更強的穩定性和控制力，使使用者能夠更加自然地控制義肢運動。
在一項臨床實驗中，參與者普遍表示，與傳統截肢者相比，這種新型義肢讓他們感覺假肢更像是自己身體的一部分。
“當假肢不僅僅是外接裝置，而是透過骨骼固定、由神經系統直接控制，它不再只是一個工具，而是與人體生理深度融合的系統。”MIT Media Lab 教授、仿生中心聯席主任、麥戈文腦研究所成員 Hugh Herr 表示。
這項研究由2024年博士畢業生 Tony Shu 作為第一作者，已於今日發表在《Science》期刊上。
Tony Shu2024年從麻省理工學院獲得博士學位，是本項研究的第一作者。Shu 的研究聚焦於仿生義肢的神經肌肉介面與機器人控制系統，致力於讓未來義肢“像身體一樣思考、行動與感知”。
Hugh Herr麻省理工學院（MIT）Media Lab 教授，MIT仿生中心（K. Lisa Yang Center for Bionics）聯席主任，同時也是麥戈文腦研究所的研究成員。Herr 本人是雙腿截肢者，一直致力於開發融合人體神經、肌肉與機器智慧的仿生技術，堪稱全球仿生義肢研究領域的領軍人物。
更精準的控制
過去幾年，Hugh Herr 的團隊一直致力於研究如何從截肢後殘留的肌肉中提取神經訊號，進而控制義肢動作。
傳統截肢手術通常會切斷一對協同工作的肌肉（即“主動肌-拮抗肌”對），導致神經系統無法正常感知肌肉位置或收縮速度。這種感知的缺失會嚴重限制義肢的自然運動。
為了解決這一問題，研究團隊提出了“主動-拮抗神經肌肉介面”手術方案（Agonist-Antagonist Myoneural Interface，簡稱 AMI），在截肢時將這類肌肉重新連線，使它們能在殘肢中繼續協同工作，恢復部分自然的感覺反饋。
AMI 既提供了可用於控制義肢的電訊號，又能幫助使用者更直覺地感知假肢位置和動作，使行動更加自然。
在2024年的一項研究中，研究人員發現接受 AMI 手術的小腿截肢者，在行走速度和避障能力上明顯優於傳統截肢者。
向大腿截肢者擴充套件：骨骼整合系統 e-OPRA
本次新研究將 AMI 技術擴充套件到了大腿截肢人群，進一步加入了名為 e-OPRA（電子骨整合系統） 的新技術，使義肢不僅能讀取肌肉訊號，還能與股骨骨骼直接連線，從而實現更高的穩定性和真實感。
具體做法是：
研究人員在殘留的股骨中植入一根鈦合金棒，它能夠比傳統義肢連線方式承受更大的力學負荷，並提供更牢固的支撐。同時，這根鈦棒內部包含16根導線，可以即時收集來自 AMI 肌肉群的電訊號，進而更精準地控制義肢動作。
這些肌電訊號被傳輸至新開發的機器人控制器，該控制器會根據訊號計算使用者想要產生的扭矩，從而驅動義肢動作，實現“心到即動”的體驗。
“相比傳統的插入式‘套筒’，骨骼是人體本該承重的部分，我們現在正是利用這一點，”Shu 解釋說。“而且避免了因皮膚接觸產生的不適和感染。”
臨床測試結果：仿生義肢效能顯著優於傳統系統
在這項研究中，兩名志願者接受了結合 AMI 和 e-OPRA 的完整系統，即所謂的骨整合-神經肌肉仿生義肢系統（OMP）。
研究團隊還招募了兩組對照人群：
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8人只接受 AMI 手術但未植入 e-OPRA
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7人接受傳統截肢手術，未應用 AMI 和 e-OPRA
所有人均使用同一款實驗型仿生膝關節進行任務測試，包括：
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彎曲膝蓋至特定角度
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上下樓梯
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跨越障礙物等
結果顯示，OMP 系統使用者的表現優於其他兩組，特別是在精細控制與障礙透過能力上優勢明顯。
“這篇論文實現了科研界長久以來的願景——真正將義肢系統生理整合、並透過意念精確控制。”
——範德堡大學智慧機電中心主任 Michael Goldfarb 教授評論道（未參與此研究）。“這項工作極具挑戰，研究人員值得高度讚譽。”
群體感知提升：義肢“變成身體的一部分”
研究不僅測試了行動能力，還深入調查了受試者對義肢“身體歸屬感”的主觀感受，例如：
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是否感覺自己擁有兩條腿？
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是否認為義肢是身體的一部分？
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是否感到能夠控制義肢？
這些問題衡量的是“代理感”、“擁有感”以及“身體圖式整合”。
研究發現：隨著實驗深入，OMP 系統使用者的歸屬感和控制感顯著上升，遠高於其他兩組。
“本研究的重要意義還在於，它首次提供了義肢‘身體歸屬感’大幅提升的客觀證據，”Herr 說。“不論人工智慧有多強，若義肢只是外掛工具，使用者永遠不會真正把它當作自己身體的一部分。但透過組織融合的方式，我們正在打破這種界限，讓假肢成為‘我’的一部分。”
展望未來：向更廣泛人群推廣
目前，AMI 技術已在布萊根婦女醫院（Brigham and Women's Hospital）廣泛用於小腿截肢手術中。Herr 表示，這一技術很可能很快也會成為大腿截肢手術的新標準。
至於 OMP 系統的全面臨床推廣，還需更多臨床試驗並透過 FDA 認證，預計這一過程將在未來五年內完成。
參考資料：https://news.mit.edu/2025/bionic-knee-integrated-into-tissue-can-restore-natural-movement-0710
