数百年来，人类一直在探索如何在截肢后重建身体功能。传统的假肢设计主要通过机械改进来提升性能，但它们本质上与身体分离，仅能实现重复性行走模式和预编程动作。
据此，麻省理工学院Hugh Herr 教授团队提出了一种骨整合的机械神经假肢，其神经嵌入设计融合了改良的硬组织和软组织以及永久植入的硬件。开发出一种新型仿生膝盖，能够帮助膝上截肢者比使用传统假肢更轻松地实现快速行走、爬楼梯和躲避障碍物等动作。与传统假肢中残肢置于接受腔内的设计不同，这种新系统直接与使用者的肌肉和骨组织整合，不仅带来了更高的稳定性，还让使用者对假肢的运动拥有了更强的控制能力和体验感。
2025年7月10日，相关工作以题为“Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation”发表在Science上。Tony Shu为第一作者兼通讯，Hugh Herr 教授为通讯作者。
过去几年，Hugh Herr教授团队一直致力于研发一种新型假肢，这些假肢能够从截肢后残留的肌肉中提取神经信息，并利用这些信息来引导假肢运动。
传统截肢手术通常会切断负责交替拉伸和收缩的成对肌肉，破坏肌肉正常的拮抗关系，使得神经系统很难感知肌肉的位置以及收缩的速度。Hugh Herr教授及其同事开发了一种名为“拮抗肌神经接口”（AMI）的新型手术方法，在手术过程中重新连接肌肉对，使它们在残肢内仍然能够动态地相互“交流”。这种感觉反馈有助于假肢使用者决定如何移动肢体，同时还能产生用于控制假肢的电信号。
在2024年发表的一项研究中，研究人员已经证明接受AMI手术的膝下截肢者能够比接受传统膝下截肢手术的人更快地行走，并且能更自然地绕过障碍物。
在这项新研究中，将该方法进行了扩展升级，以更好地服务于膝上截肢者：他们希望创建一个系统，不仅能够利用AMI读取肌肉信号，还能与骨骼整合，从而提供更好的稳定性和感觉反馈。
为了实现这一目标，开发了一种将钛棒插入截肢部位残留股骨的手术程序。这种植入物比传统假肢能提供更好的机械控制和承重能力。此外，该植入物包含16根导线，这些导线从体内AMI肌肉上的电极收集信息，能够更准确地传导来自肌肉的信号。
“这种与组织整合的假肢，锚定在骨骼上并由神经系统直接控制，不仅仅是一个无生命的独立装置，更是一个精心融入人体生理结构的系统，能提供更高水平的假肢融合感。它不只是人类使用的工具，更是自我的一个组成部分。” Hugh Herr教授表示。
佩戴骨整合机械神经假体的受试者可以通过自主屈伸其假肢来克服行走路径上的障碍
目前，拮抗肌神经接口（AMI）手术已在布里格姆妇女医院常规应用于膝下截肢患者。Hugh Herr预计，这种结合的OMP系统需要更大规模的临床试验才能获得FDA的商业使用批准，这可能需要大约五年时间。“ 它很快也将成为膝上截肢的标准手术。”
图文介绍
首先勾勒出OMP的三层架构（图1）：来自中枢神经的运动意图经肌肉电信号传至控制算法，实时计算并驱动动力膝关节输出扭矩；同时，骨整合植体的中央通道为电缆与能量供应提供保护，消除了传统假体套筒对皮肤-电极界面的干扰。示意图和术后影像展示了从第一次植入骨内固定件，到二期将电极线缆引出并连接外置膝关节的时间线，使读者直观了解“机-骨-肉”纵向贯通的全过程。
图1. 通过垂直整合的仿生截肢平台促进信息和能量交换
聚焦于软组织层面的“肌-肌”耦合。通过将残余股直肌与股二头肌重建为拮抗对，作者记录到在幻肢膝关节主动屈伸时，伸肌收缩会同步拉伸屈肌，从而显著增强来自肌梭的本体感觉信号。量化分析显示，拥有拮抗结构的受试者，其模拟二型肌梭放电率远高于传统残肢，证明这种组织工程手段能为大脑提供更清晰的关节位置反馈，奠定精细控制基础。
图2. 激动剂-拮抗剂结构增强了与幻肢膝运动相关的本体感受反馈
图3进一步证明软硬件协同对控制精度的提升。在无视觉反馈的自由-空间定位任务中，骨整合+肌内电极组能在低-中等伸展角度间输出更可区分的肌电信息；当加入视觉反馈驱动真实机械膝关节时，他们在目标角度追踪误差上依旧明显优于表面电极对照组。节奏加速试验则显示，拮抗-肌内电极构型可使假膝循环频率超过健侧生理极限，揭示“削弱惯性+增强感觉”带来的超生理潜能。
图3. 通过软组织和硬组织增强 最大限度地实现假肢膝关节的控制
步行实验表明，直驱膝关节能补偿假体惯性，实现与健侧接近的摆动动力学，且两名受试者术后使用动力膝的最高行走速度达到或超过术前被动膝水平。在坐-立转换中，他们无需扶手即可完成动作，并在地面反作用力分布上呈现更佳的双侧对称性，说明新平台不仅恢复力量输出，也改善了整体姿态控制。
图4. OMP 促进人类的基本运动
将评估场景拓展至多样化、高动态的任务（图5）。静态障碍穿越中，骨整合组几乎零失误，而传统套筒用户因冲击伪影导致肌电失真、膝关节误动作频发。楼梯测试显示，即便受限于70 N·m的植体安全扭矩，受试者仍能用“步-步”模式升级为“跨-步”上下楼；在跑步机高速行走并随机躲避泡沫方块时，骨整合组能持续、快速屈膝，而被动膝用户不得不通过髋关节外摆迂回，凸显解剖融合对真实场景灵活性的贡献。
图5. 关节运动的物理实现产生了多种行为
进一步从主观维度量化了“化身感”（图6）。在每轮实验后填写的问卷显示，骨整合组在“所有权”和“能动性”两项上显著高于传统组，并在楼梯任务后整体化身感提升最为明显。研究者指出，高保真信号、骨性力传递以及幻肢-机械动作的实时映射，共同塑造了这种“假肢即自体”体验，为未来评估截肢手术设计和假肢选型提供了新的自我感知指标。
图6. OMP 在具体化和仿生性能方面取得了巨大的进步
总之，组织整合式仿生膝关节的出现是假肢领域的一项重大突破，它标志着假肢技术从单纯的机械替代向与人体生理结构深度融合的方向迈进了一大步。随着技术的不断完善和临床应用的推广，骨整合机械神经假肢（OMP）有望帮助更多截肢者恢复更自然、更灵活的运动能力，提高他们的生活质量。同时，关于假肢融合感的研究也为未来假肢设计提供了重要方向，即不仅要在功能上满足使用者的需求，还要在心理感受上让使用者更好地接纳假肢，将其视为身体的一部分。相信在不久的将来，随着相关技术的不断发展和成熟，截肢者将能够更轻松地回归正常生活，享受更自由、更自然的运动体验
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv3223
https://news.mit.edu/2025/bionic-knee-integrated-into-tissue-can-restore-natural-movement-0710
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