重塑輔助范式：從機械到神經共生，外骨骼裝上了“電子神經” | Science Advances

你有沒有試過閉著眼睛拿起一個雞蛋？健康人幾乎不需要思考——指尖觸到蛋殼的瞬間，皮膚下的感受器就會向大腦發(fā)送密電，手指自動調整力度，不輕不重，剛剛好。

但對于腦卒中或脊髓損傷幸存者，這簡單的動作卻充滿挫敗：手掌像隔著手套觸摸世界，要么握力太輕讓杯子滑落，要么用力過猛捏碎蛋殼。全球超過5000萬人生活在這種困境中，傳統(tǒng)康復往往陷入瓶頸，而現有的機械外骨骼雖然能拉動手指，卻像一臺沒有觸覺的冰冷機器。

近日，蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）、維也納醫(yī)科大學（Medical University of Vienna）等機構的聯合團隊在《Science Advances》上發(fā)表了一項研究，開發(fā)了一套名為SensoExo的穿戴式神經機器人系統(tǒng)。

它由一只定制神經刺激袖套（NeuroSleeve）與便攜式軟體外骨骼協同工作，在14名腦損傷或脊髓損傷患者身上證明：即使手部感覺被臨床判定為“完全喪失”，非侵入式的表面電刺激也能重新喚醒觸覺，讓機械輔助不再“盲目”。

圖1 SensoExo系統(tǒng)與人在回路控制示意圖

手部功能喪失，到底卡在哪里？

人的手部擁有20個自由度，精細到能彈奏鋼琴、剝開葡萄皮。但腦卒中、脊髓損傷或創(chuàng)傷性腦損傷后，大腦與手之間的神經高速公路被切斷或損壞。約70%的腦卒中幸存者和55%的脊髓損傷患者會遺留長期手部功能障礙。

傳統(tǒng)康復訓練（如強制性誘導療法）雖有一定效果，但許多患者很快遇到恢復平臺期，不得不依賴代償策略。便攜式外骨骼本是一線希望，但它們面臨三重困境：

第一，機械力不足。軟體手套往往難以產生足夠力量，尤其對完全喪失活動能力或伴有痙攣的患者，手指像被鎖死，外力根本掰不開。

第二，缺乏感覺反饋。現有外骨骼通常只解決“能不能動”，不解決“能不能感”。對于感覺通路受損的患者，手掌像隔著厚橡膠操作，無法感知物體是輕是重、是圓是方。

第三，無法兼顧運動與感覺。電刺激服裝能刺激肌肉，但電極定位困難，難以實現單塊肌肉的精準募集，更缺乏將觸覺傳回大腦的閉環(huán)設計。

這正是這項研究的起點。

發(fā)現“神經-機械共生”：NeuroSleeve的協同之道

研究團隊沒有追求更復雜的機械結構，而是選擇了一條更聰明的路線：讓外骨骼與神經電刺激“對話”。

他們設計的NeuroSleeve是一件集成化紡織袖套，包含三大模塊：

傳感器化手指套：戴在拇指、食指和小指上，內置力傳感器，能檢測100到40,000克力（gf）的接觸力。研究團隊通過3D打印的薄板支撐和載荷集中器，將手指彎曲造成的預載損失從8.9%降到1.7%以下，讓傳感器甚至能感知脆弱物體的微弱壓力，抓握識別準確率從63%提升到100%。

TENS感覺模塊：通過導電紡織電極，向正中神經和尺神經發(fā)送經皮電刺激，在手掌和手指重建體感拓撲映射（somatotopic sensation）。即使患者臨床評估為完全感覺喪失，這套系統(tǒng)仍能繞過中樞損傷，通過激活殘余外周傳入通路，讓大腦重新“感到”手在何處、觸到何物。

FES運動模塊：位于前臂近端，精準刺激指深屈肌和指伸肌，與軟體外骨骼的電機同步，輔助手張開與閉合。

整個系統(tǒng)被裝進一個約20×25×5厘米、重1.5公斤的3D打印背包中，電池續(xù)航6小時，閉環(huán)延遲不到20毫秒——人根本察覺不到的瞬時響應。

圖2 NeuroSleeve的數據驅動設計優(yōu)化

數字背后的溫度：從“能抓”到“會抓”

在14名參與者中，研究團隊進行了嚴格的對比測試：無輔助、單獨外骨骼、以及SensoExo（外骨骼+NeuroSleeve）。

對于運動功能嚴重受損（健康關節(jié)活動度剩余<50%）的7名患者，SensoExo恢復了平均51.71%的健康活動度，而單獨外骨骼僅為32.00%。一名痙攣性握拳的患者（S01），無輔助時活動度只有健康人的4%，單獨外骨骼提升到34%，而加上FES電刺激后躍升至55%。

更令人震撼的是感覺重建。所有14名參與者都存在感覺缺陷。通過10克Semmes-Weinstein單絲測試定位感覺喪失區(qū)域后，研究團隊用TENS刺激神經。結果顯示，SensoExo平均將手掌敏感區(qū)域從47.35%提升到66.49%。即使是完全感覺喪失的患者（如S14），TENS仍恢復了43.1%的麻木區(qū)域。參與者描述人工感覺多為振動感（42%）或輕微電流感（25%），但關鍵是——他們能據此實時調整抓握。

圖3 SensoExo改善手部活動度

圖4 SensoExo改善手部觸覺反饋

真正檢驗成效的是抓握-釋放任務。8名參與者分別操作兩類物體：笨重物體（塑料立方體和圓柱體）和脆弱物體（破碎閾值為200克力和100克力的虛擬雞蛋）。

面對笨重物體，SensoExo的成功率高達90.03%，顯著優(yōu)于單獨外骨骼（85.43%）和無輔助（43.75%）。對于脆弱物體，SensoExo達到79.06%，而單獨外骨骼僅為55.25%，無輔助為65.58%——有趣的是，無輔助反而比單獨外骨骼略高，因為缺乏感覺反饋時，機械輔助的僵硬動作更容易捏碎雞蛋。

研究者進一步發(fā)現，患者會智能地調用不同輔助模式。運動缺陷為主的群組在搬運重物時，FES與外骨骼協同讓他們施加了顯著更大的握力。而感覺缺陷為主的群組在抓取虛擬雞蛋時，TENS讓他們98.2%的時間都在主動利用感覺反饋精細調節(jié)力度，避免壓碎。

圖5 SensoExo根據患者損傷類型提供定制化輔助

圖6 患者在抓握任務中利用人工感覺反饋

背后的工程智慧：不只是“通電”那么簡單

NeuroSleeve的設計充滿了生物力學與人體工學的巧思。

電極不是簡單的凝膠貼片，而是基于10名健康參與者的數據驅動優(yōu)化：21毫米直徑的TENS紡織電極能最大化手部體感拓撲覆蓋，同時最小化電極下方的非體感異常感覺；50毫米的FES電極則精準對應前臂伸肌和屈肌的運動點。袖套采用對稱設計，左右手通用，并通過魔術貼定位導軌確保每次穿戴都能回到最佳刺激位點。

手指套上的力傳感器實時捕捉接觸事件，微控制器線性調制脈沖寬度，讓電刺激強度與抓握力成正比——你捏得越緊，指尖“感覺”越強烈。這種閉環(huán)映射讓患者重新建立了“力-感覺”的條件反射。

研究人員指出，自然告訴我們，智能不來自處理更多數據，而是在正確的時間處理正確的數據。通過將運動直接整合進計算，生物系統(tǒng)實現了超凡的效率。而這項研究正是把這一理念工程化：不是讓大腦去適應機器，而是讓機器去適配殘余的神經通路。

重塑輔助范式：從“機械拉動”到“神經共生”

這項研究的意義遠超一件新設備。

它證明了非侵入式經皮電刺激（TENS）在中樞神經損傷后感覺重建中的臨床潛力——此前這幾乎被認為是侵入式神經植入物的領地。對于體質虛弱的腦卒中患者，多次植入手術風險過高，而SensoExo提供了一條安全、即戴即用的替代路徑。

它也揭示了一個被長期忽視的真相：手功能不是單純的運動問題，而是感覺-運動的閉環(huán)系統(tǒng)。沒有觸覺的抓握就像蒙眼開車，再強的引擎也難免撞壁。SensoExo的雙向設計——外骨骼提供機械力，NeuroSleeve提供神經反饋——讓輔助設備首次真正實現“知行合一”。

未來，這種模塊化、數據驅動的神經服裝可與各種商用外骨骼兼容。研究團隊展望，下一步將通過電極陣列和智能校準算法，將15分鐘的調試時間進一步縮短，甚至實現自動阻抗監(jiān)測與參數自調整。

或許在不遠的將來，一位脊髓損傷患者早晨起床，戴上這只輕薄的袖套和軟體手套，重新感受到咖啡杯的溫度與雞蛋殼的脆弱——那不是幻覺，而是被科技重新接通的神經脈沖。

參考：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady3144

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