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可穿戴机器人,可以读懂你的“肌肉”了?|Science Robotics

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“六个电极,读出肌肉的秘密。

人在跑步机上走,皮肤下面的肌肉一伸一缩。贴在小腿上的六个电极,也在跟着记录这些变化。

它们没有拍出肌肉的影像,却从电学信号里,提取出了肌肉内部伸缩的线索。拿超声测量结果一对照,两者显示出较强的关联。

这正是美国佐治亚理工学院团队近日发表于《Science Robotics》的一项成果,他们把电极贴在皮肤上,就能追踪人行走时肌束的伸缩变化。



对外骨骼这样的可穿戴机器人来说,这意味着有机会用更便于穿戴的电学传感,获取一部分通常借助超声观察的肌肉信息。

机器人已经能跟着腿动。现在,研究者希望再往皮肤下面走一步,看看真正带动腿的肌肉,到底在忙什么。

01.

六个电极,想接超声的一部分活

如果把肌肉比作一台发动机,关节运动相当于它带来的外部动作。要知道内部运转得怎样,还需要另一套观察办法。

肌电图是其中一种。它能记录肌肉兴奋产生的电信号,相当于捕捉开工的消息。超声则能进一步观察内部结构,包括一束束肌纤维组成的肌束,正在怎样伸缩。但把超声带到可穿戴机器人上,并不轻松。探头要固定,设备要供电,图像还要及时处理。能在实验室测清楚,并不等于适合长期跟着人走。

这些肌肉内部的变化,能不能换一种更便于穿戴的方式来测?

研究团队选择了电阻抗肌描记术(EIM)。它通过贴在皮肤上的电极,向组织施加低幅度的高频电流,再测量电压响应,计算组织的电阻抗。整个过程无需植入。

简单来说,这可以把它理解为让电流去“探路”。肌肉内部的结构和生理状态发生变化,电流通过时遇到的阻抗也可能改变。顺着这些变化,研究者便有机会判断肌肉正在发生什么。



工作概述

具体到这套系统,团队在小腿内侧的腓肠肌表面布置了六个电极,从两个方向、以两种频率采集信号,再从中提取肌束伸缩的信息。

这样一来,无需生成超声图像,也有机会追踪内部肌束的变化。对于可穿戴机器人,这意味着一种有望更易集成、功耗更低的传感方案。

02.

电极读到的,未必是你用了多大力

电极能捕捉肌肉的变化,但这些变化该怎么解读?

肌肉用力时,内部结构往往也在变化。电阻抗跟着变了,究竟反映的是力量,还是肌束的伸缩?这两件事经常同时发生,很容易混在一起。

此前,已有研究尝试用电阻抗估算肌肉力量。这次,团队要把两者的关系拆开看。他们招募了10名健康成年人,让受试者改变脚踝角度,以不同程度用力。同时,用超声观察肌束,用肌电图记录肌肉激活,再用测力计记录踝关节力矩,与电阻抗信号对照。



脚踝固定在一个角度时,结果很漂亮:用力程度变化,阻抗信号也随之变化,两者高度相关。可一换姿势,这套“力量刻度”就不那么可靠了。

把不同角度的数据放在一起,同样的阻抗读数,可能对应不同的关节力矩。也就是说,只看这条信号,无法直接判断人用了多大力。

相比之下,肌束长度与阻抗的联系更稳定。跨越不同测试角度,这种关系依然存在。这里有个反直觉的细节:脚踝不动,肌束也可能在缩短。因为肌腱具有弹性,关节被固定,并不意味着肌肉内部也被完全“锁住”。



电极捕捉到的,就包括这些外面看不见的伸缩。这让研究者找到了更明确的解读方向——电阻抗中包含肌束变化的信息;要进一步判断力量,还需要结合姿势等条件。

对可穿戴机器人来说,这个发现很实用。人走路时,关节角度不断变化,固定姿势下建立的对应关系未必够用。而追踪肌束伸缩,为机器人了解人体状态提供了另一条线索,也为后续结合生物力学模型估算力量打下了基础。

03.

站起来走,换个人测,还能读懂吗?

接下来,团队把测试搬上跑步机。对可穿戴机器人而言,这一关更接近实际使用场景。人要动起来,传感器也得跟得上。



走路时,肌肉不断伸缩,激活程度随步态变化,电极下方的组织也会相对移动。多种变化叠在一起,信号比固定姿势下复杂得多。

怎样从中找出肌束伸缩的线索?团队把两种频率、两个方向采集的数据组合起来,再通过主成分分析,提取其中主要的变化模式。简单理解,就是从多条起伏的曲线中,找出共同的变化规律,再与超声记录对照。

在最终纳入分析的9名参与者中,提取出的相应信号成分与肌束长度相对变化的相关系数达到0.83。



这说明,肌束伸缩的信息没有被走路时的复杂变化淹没,仍然可以从电极信号中提取出来。

但能读懂一个人,还不够。每个人的肌肉结构、走路习惯都有差别,换个人戴上,原来的方法还能用吗?

团队又加了一道考题。他们用其他参与者的数据建立关系,再去估计那个未参与建模的人。结果显示,在这组小样本中,方法具有一定的跨人泛化能力。

这对后续应用很有意义。如果每换一个使用者,都要重新采集大量数据、建立一套模型,设备的使用门槛就会提高。这次验证为减少这类负担提供了线索,但还需要更大规模、更多样的人群测试。

目前,这套方法更擅长追踪肌束“比原来长了多少、短了多少”。要确定肌束的绝对长度,仍可能需要个人校准;对肌肉激活的识别,也没有同样稳定。

总的来说,它已经能跟踪行走中的部分肌肉变化,距离完整读取肌肉状态还有一步。

04.

读到了肌肉变化,机器人怎么用?

这项研究对可穿戴机器人研发的启示,可以落到一个具体问题上:控制器能不能多拿到一点来自肌肉本身的反馈?

以踝关节外骨骼为例,它如果同时知道关节怎么转、肌束怎么伸缩,就有机会利用已有的生物力学模型,更细致地估计人体状态,为助力时机和力度提供依据。

再与肌电图结合,还可能同时观察肌肉兴奋的信号和随后的结构响应。尤其当疲劳等因素改变两者的关系时,多一路信息,就多一种核对身体状态的办法。

对开发者而言,值得关注的也因此不只是“又多一种传感器”。这项研究解释了信号与肌肉行为的联系,为后续选择控制模型、组合传感信息提供了依据。

不过,传感能力还没有变成助力成绩。论文只做了离线分析,尚未用这套信号实际控制外骨骼,也没有报告步行能耗下降。实验主要针对健康青年在每秒0.75米速度下慢走;快速运动、长期佩戴,以及患者使用的表现,都需要继续验证。

接下来真正值得期待的,是把这条信号接入机器人,看看它能否带来更合适的助力。从实验室的角度,六个电极读出了肌束变化;从机器人研发的角度,它们指向了一个更有意思的目标——让穿在身上的机器,能够根据肌肉实际发生的变化,调整自己的动作。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aea4580

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