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仿生假肢手感知与控制的神经信息解析

半个多世纪以来，肌电假肢手的功能没有得到很大的提升。与人手灵巧控制的四大要素相比较，现有假肢手拒用和弃用率高居不下的主要原因是缺乏安全有效的触觉感知反馈和仿生柔顺控制

的功能（图1）。

图1：人手灵巧控制的要素

科技部2017年“变革性技术关键科学问题”重点专项中设立了“仿生假肢手感知与控制的神经信息解析”项目。项目于2018年5月正式启动，由蓝宁

教授任首席科学家和项目负责人，国家康复辅具研究中心为牵头单位，上海交通大学、北京航空航天大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、浙江大学、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、北京理工大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院半导体研究所、上海科生假肢有限公司等10家单位共同参与。

为了提高假肢手功能、加快实用化进程，提升临床接受度，本项目围绕“再造人手功能”的科学目标，以提高假肢手与人体感知运动控制系统的神经类同性为出发点，以实现仿生的感知反馈和柔顺控制为核心目标，基于主动功能材料、无创电刺激感知反馈、神经信息解析和神经控制建模等变革性技术，深入研究假肢手再造和灵巧功能的瓶颈问题，实现截肢者手功能康复的跨越提升（图2）。

图2：核心理念与突出特色

本项目围绕三大科学问题：1）如何将人手的肌肉骨骼生物力学特性再造到假肢手，2）人手感觉和控制特性基于何种神经信息基础，如何在假肢手重建神经信息交互通道，3）仿生假肢手遵循何种康复规律，以实现手功能的稳定和持续改善（图3）；研发五项变革性关键技术：1）基于诱发指感的触觉感知反馈神经通道重建，2）基于超弹镍钛合金的仿生骨骼，3）微纳仿生感知皮肤研发，4）基于高密度肌电的运动意图识别，5）神经拟态芯片技术；探索突破四个瓶颈问题的路径：1）基于脑机接口的生成式解码控制模型，2）外周神经嫁接技术，3）外周神经感知运动功能重建方法，4）基于介电高弹体材料的人工肌肉研究。最终目标是开发新一代具有生物逼真功能的灵巧假肢手，它具有真实运动意图解码和类肌肉驱动的柔顺控制，基于皮肤仿生传感器的触压觉神经感知反馈通道，并在临床上评价新一代假肢手的功能提升。

图3：科学目标和课题分工图

本项目分5个课题开展（图3）。经过三年多的执行，通过了科技部中期检查，完成了任务书指标，集成了I型系统，并展示了新一代假肢手的可行性。本项目提出了假肢手设计的新理念，开辟了多项创新的变革性技术，为假肢手功能的跨越性跃升提供了理论基础和技术支持，在本领域处于国际国内领跑地位。

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项目负责人介绍

蓝宁 博士，上海交通大学生物医学工程学院教授，上海交通大学康复工程研究所常务副主任，医疗机器人研究院神经康复工程实验室主任，南加州大学生物运动与物理治疗系兼职教授。

2014-2019年中国生物医学工程高被引学者。中国生物医学工程学会康复工程分会副主任委员，中国康复辅助器具协会康复工程专业委员会首届副主任委员、中国残疾人康复协会康复工程与辅助技术专业委员会副主任委员。主持科技部“变革性技术”重点专项、科技部973项目课题、国家自然科学基金重点和面上项目、985III期转化医学等多项研究项目，发表SCI/EI期刊、会议文章和专辑章节150余篇。主要研究方向为神经康复的基础研究和临床应用，包括基于计算仿真模型的神经运动控制机制研究、基于电刺激诱发指感的假肢手感知反馈研究、基于神经计算模型的假肢手控制研究、基于功能性电刺激的脑卒中后神经康复，以及外周神经电刺激抑制帕金森震颤的机理和临床应用等。

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牵头单位介绍

项目牵头单位国家康复辅具研究中心前身为民政部假肢科学研究所，是国内唯一国家级专门从事康复辅具研究、开发、应用、检测的科研机构。中心现设有国家康复辅具质量监督检验中心和附属康复医院2个二级法人单位，建有6个省部级重点实验室、1个部级工程技术中心和1个北京市国际科技合作基地。中心主要职能为：康复辅具和专用设备理论和临床应用研究、技术研发，康复辅具行业技术标准拟定以及相关培训与信息服务，全面开展康复辅具临床应用研究和推广，开展康复辅具的临床验证，承担突发事件的医疗救助和康复任务。中心始终从事和保障残障群体权益，在假肢领域，中心拥有先进的装配工艺，一流的设施设备，标准化与个性化相融合的装配流程，医工紧密结合的技术创新体系，年均完成假肢装配600例/年。

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前期研究基础

本项目实现从生物仿生到生物逼真的跨越，提出了新一代神经假肢手设计的颠覆性观点，以“Next-Generation Prosthetic Hand: from Biomimetic to Biorealistic”为题（图4），在Research 2021年第一期上发表观点性文章，简明扼要的阐明了新一代神经假肢手的神经类同性原理，以及实现神经类同性的新兴变革性技术。

图4：Research，2021 DOI: 10.34133/2021/4675326

团队正在开发的新一代假肢手变革性技术，包括：生物真实性的BMI（Brain-machine Interface，脑机接口）解码方法、高密度肌电（HD-EMG）真实运动意图识别，基于诱指感（Evoked Tactile Sensation）的无创触觉反馈、仿人纳米电子皮肤传感器、神经肌肉脊髓反射柔顺控制、以及超弹性连续体结构假肢手，这些变革性技术的研发已取得阶段性进展。其中，基于诱指感的无创触觉反馈技术和高密肌电真实运动意图识别技术已经进入人体临床试验，团队正在评估其对假肢手功能提升的作用和贡献。

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