意念控制仿生義肢的工作原理是怎樣的，精確度是如何控制的？

01-04

Prosthetic legs have gotten smarter and smarter thanks to advanced sensors and lightweight motors, but this week they"re getting their biggest overhaul yet: the latest bionic leg can be controlled entirely by its wearer"s mind. Though the mind-controlled prosthetic leg has been in the works for four years now, the research team behind it has only today published the details of its development, which are appearing in a paper in The New England Journal of Medicine. via See the world"s first mind-controlled prosthetic leg in action

曾經對這個方面非常感興趣並且也做過一個和這個方面有關的很簡單的研究。在實驗室的組會上曾經聽到過類似於這篇文章提到並使用的方法，感覺可以粗略地回答一下這個問題。

雖然新聞里提到的是完全由實驗對象的大腦控制的義肢，但是實際上還是通過把腦信號或者說神經信號轉變為肌肉的電信號，繼而用肌電圖的感測器收集信號並且控制義肢的。

簡單來說，就是醫生把原本控制小腿肌肉收縮的神經接到大腿肌肉上，之後通過收集並且分析大腿肌肉的電信號來了解實驗對象希望他的小腿怎麼運動，繼而控制義肢去做這些動作。

人的肌肉絕大多數應該都是由神經控制的。對於運動肌肉來說，神經會將控制信號從大腦皮層傳遞到相應的肌肉，然後肌肉就知道自己需要做什麼樣的動作了。為了實現某些精細的動作（比如說敲擊鍵盤），手上不同的肌肉會通力協作，從而實現敲擊鍵盤的動作。而這些不同的運動肌肉需要不同的神經來傳導信號給他們。從這個角度來說，義肢想要知道病人想做什麼可以直接通過收集神經上傳導來的信號、並且破解這些信號實現。但是神經信號都是十分微弱的（收集電信號時往往會有比較大的噪音，如果在收集的同時病人還在運動的話有可能就完全無法得到有用的信號）。此外還有一個問題就是病人截肢以後，控制被切除部分肌肉的神經也需要被切斷，但是如果只切斷神經然後就放任它們不管的話，那些神經就會無止境的瘋長繼而形成神經瘤，而神經瘤給病人的感覺就是十分的疼。從這兩個方面來說，直接從神經上收集信號並不是一個目前來說可行的解決方案。

而文中使用到的方法就是把切斷了的神經搭到未截肢部位的肌肉上（在文章里，病人是從大腿底部截肢的，之後醫生把控制小腿肌肉的兩根神經接到了大腿上兩塊不同的肌肉）。之後神經會嘗試去和新的肌肉建立聯繫（reinnervate），如果建立聯繫順利的話大腿上的這兩塊肌肉就可以被原本控制小腿肌肉的神經控制了。這樣醫生就可以通過收集這兩塊肌肉的信號知道病人希望自己的小腿怎麼運動。肌肉的收縮是由電信號控制的，所以我們收集電信號就可以知道某塊肌肉是否收縮了。這樣做的好處是原本神經上非常微弱的電信號能夠被放大很多倍，從而減輕噪音對信號的影響；同時肌肉要比神經大很多，而且也更抗蹂躪（收集神經信號用的電極基本都會對神經有或輕或重的損傷，而肌肉就幾乎不用擔心這個問題），所以收集信號的時候也就更加方便加穩定了。

對於精確度，應該分幾個方面來說。

第一個方面是如何知道每塊小腿肌肉需要收縮多少。這個可以通過測量電信號的強度來實現。理論上來說，肌肉需要收縮的越多，產生的電信號強度就會越強。通過判斷電信號的強度就可以知道義肢的機械結構需要產生多大的力才能實現病人所希望實現的動作。（但是實現起來，因為肌肉收縮的力度和產生的電信號強度並不成線性關係，所以並不好控制到底需要產生多大的力，我感覺這篇文章里只是實現了收縮與不收縮的區別，而並不區分不同力量的情況）。

第二個方面就是如何實現走路的時候各種不同的動作，比如說走路時的膝蓋收縮、彎曲；腳踝抬、伸；腳跟與腳尖的不同動作。人體在實現這方面的時候是通過很多肌肉的協同來實現的。在控制義肢的時候，能收集到的控制信號越多，理論上來說實現的動作就能越多越精確。但是這裡存在的問題是大腿上可以提供給被切斷神經的肌肉是非常有限的，所以在文章里只是把控制小腿的兩根神經接到了大腿上的兩塊肌肉上，從而使義肢實現了最基本的走路功能。我之前在的實驗室在做的一項實驗就是把其他部位的肌肉（比如說截肢後病人小腿上的肌肉）切下一部分來，然後把它們移植到大腿上，提供給被切斷的神經建立聯繫從而獲得更多的信息，進而實現對義肢的更精確、更複雜的控制。（然而他們還在做動物實驗，離真正的臨床試驗應該還有很長的過程。。。）

當然，醫生想要知道病人的意念，還有一種方法就是直接從病人的大腦收集信號。但是從大腦收集信號的難度更大。首先就是大腦控制的地方實在是太多，並不能輕易分辨出哪些信號是控制走路的、哪些是人的想法。其次就是收集大腦信號時，感測器越接近大腦收集到的信號越準確，但同時對大腦的傷害也會相應地增加（或者說傷害到大腦的概率會增大）。如果想要實現精確的控制肯定需要從接近大腦的地方收集信號，然而這樣對病人的風險就會越大。最後就是現在雖然有一些收集大腦信號的感測器，但是還有很多和生物相容性、感測器耐久度相關的問題需要解決。

好久沒寫過比較偏技術的文章了，回答里語言或者思路上的不足還望海涵。。。如果有進一步的問題的話歡迎補充～我有時間並且知道的話再儘力補充～

謝邀。

很久了還是沒人回答啊。我看了下paper，好像假肢是通過閱讀分析肌肉生物電信號來判斷該如何動作的，估計通過神經末梢信號來指揮動作的假肢還沒開發出來吧。這個玩意應該屬於人機介面一類，可能屬於生物醫學工程之類的領域。期待哪天有個業內人士來科普下，或者哪天我搞明白了到底怎麼回事再來補充完整。