编者荐语:
Cyborg and Bionic Systems是Science合作期刊(Science Partner Journal, SPJ),由Science/AAAS与北京理工大学进行合作。
以下文章来源于类生命系统 ,作者 CBSystems编辑部
功能性电刺激腓骨肌让“金鸡独立”更久更稳!
促进仿生肢体迈向终极目标
人工心脏能赐予患者第二次生命;
仿生眼球让失明者重见光明;
仿生肢体可使瘫痪者重新站起来!
随着科技进步,当好莱坞电影不断展现“钢铁侠”之类的超人能力时,现实中也出现了越来越多的仿生肢体,带着炫酷的外表,逐渐追赶科幻电影的脚步。
想要开发一款既稳定又靠谱的仿生肢体,研究及模仿人类肌肉的构成及功能是必不可少的!
最近,英国诺丁汉大学、拉夫堡大学、山东体育学院等多所高校合作进行的一项研究,调查了对人类腿部肌肉进行功能性电刺激与提高其平衡能力之间的关系,对研究更稳定的仿生下肢具有重要意义!
考验一款仿生肢体稳不稳的最佳方法,就是让它“金鸡独立”。(不仅是机器人,我们平时经常做这个动作还可以延年益寿。)那么我们在单腿站立时,腿部的哪一块肌肉发挥了最重要的作用呢?
研究人员寻找了十五名健康女性作为受试者,在睁眼和闭眼的情况下进行单腿和双腿站立平衡测试,并对比了针对她们腓骨肌肉进行功能性电刺激前后,站立稳定性的情况。
我们先来解释下什么叫功能性电刺激(FES):对于脊髓损伤患者来说,虽然他们瘫痪的肌肉仍具有收缩的能力,但由于大脑与运动神经之间的通路被切断,因此丧失了自主运动的能力。
功能性电刺激可以通过表皮电极或植入式电极,刺激瘫痪肌肉的运动神经,使肢体产生动作,并通过改变电压和频率的变化来对刺激进行控制,是恢复脊髓损伤患者运动功能的主要途径之一,也是目前脑机接口的重要组成部分。
实验的过程是这样的:受试者站在一种压力评估装置上,当因站不稳而晃来晃去时,该设备可测试身体的总偏移、摇摆速度和摇摆面积等平衡参数,以此评估平衡能力。
先记录受试者未进行电刺激干预时,睁眼、闭眼的单腿及双腿站立情况(双腿站立会有外力干预)。
然后让受试者进行15分钟的双侧腓骨肌功能性电刺激,其实就是在腿上贴两片电极,在跑步机上走15分钟。
研究人员发现,在电刺激干预后,睁眼双腿站立的平衡能力提高了5.9%,闭眼时提高了3.65%;金鸡独立的平衡能力提高得更加明显,睁眼单腿站立的平衡能力提高了21.7%,闭眼单腿站立则提高了 13.9%!
该研究发表在英文科技期刊Cyborg and Bionic Systems (类生命系统)中,该期刊由北京理工大学(BIT)和美国科学促进会(AAAS)/ Science 共同打造。
仿生肢体的终极目标是能像真正的肌肉和骨骼一样运动,对于开发者来说,这种类似的医学实验及调研评估,能够加深对正常人类生理的站、走、跑、肌肉如何运动,以及脊髓是如何控制它们等问题的理解。
除此之外,一些外骨骼机器人也可以通过类似的研究,进一步开发出下肢功能性电刺激等功能,恢复脊髓损伤患者运动功能,并改善其平衡能力。
https://spj.sciencemag.org/journals/cbsystems/2021/9801097/
How to Cite this Article
Zoe A. Bamber, Wei Sun, Rhea S. Menon, Patrick C. Wheeler, Ian D. Swain, Daniel T. P. Fong, "Functional Electrical Stimulation of Peroneal Muscles on Balance in Healthy Females", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2021, Article ID 9801097, 8 pages, 2021.https://doi.org/10.34133/2021/9801097
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