北航团队研发可穿戴机器人，为脊髓性肌萎缩儿童恢复神经肌肉功能

原文作者：Liam Drew

《自然》近期发表的一项研究展示了一个可穿戴的机器人，重量不到1公斤，能改善患有脊髓性肌萎缩症（spinal muscular atrophy，SMA）儿童的膝部功能。

这一设备为患有SMA导致无法行走的儿童提供持续的定制化抗阻力训练。与初始评估时的状态相比，使用该设备6周后，6名儿童（6-10岁）能够由更低坐姿角度站起；股四头肌体积增加约20%；并且屈膝时产生的力量超过之前的两倍。

据研究作者、曾就职于麻省理工学院的生物工程师Tony Shu介绍，患儿父母反馈患儿的获益不局限于实验室里。“在家里，当孩子想要翻身下床，或试着把身体调整到特定姿势时，父母注意到他们因训练方案而变得轻松很多。”

“生物力学指标的明显增长和神经肌肉系统的协同改变让我们大为吃惊。”研究作者、北京航空航天大学的生物工程师冯仰刚说。“这一设备的可穿戴特性使之非常适宜家用。”他补充说。

“这是一项非常重要的工作，为临床提供了关键信息。”美国匹兹堡大学的生物工程师Elvira Pirondini说。但Pirondini提到，目前还不清楚这一机器人是否具有独到优势，还是其他形式的高强度锻炼也能有所帮助。

SMA是一种遗传疾病，由SMN1基因上的变异导致，发病率约为每10000名新生儿中发生一例。缺乏功能正常的SMN1会导致脊髓运动神经元死亡，其支配的肌肉强度和质量随之衰退。过去十年间，基因疗法革新了SMA患者的治疗方式。这些药物能通过调控SMN1或其互补的保护性基因SMN2，终止或显著延缓神经元的丧失。但它们无法重建已经萎缩的肌肉。

为此，冯仰刚和同事致力于研究新的强化康复方式来重建肌肉功能。他们的解决方案是一个膝关节可穿戴机器人，能够提供称为等速训练（isokinetic training）的抗阻力训练。这种形式的运动要求腿部在锻炼中维持固定速度运动，同时使用者努力伸直双腿。根据腿部运动速度，机器人通过提供膝部伸展的可变阻力来实现这一目标。当腿部速度提高时，增加阻力以减速；当运动减缓时，则使阻力下降。

测试这一机器人的儿童患有2型SMA，在6-18个月时发病，会使患儿无法行走，而且在基因疗法问世之前，患者寿命常不超过30岁。参与研究的儿童均已接受基因治疗，起初都接受了常规物理康复，但没有获得明显功能改善。

随后，他们在6周内接受了30次机器人训练，每次进行超过60次的腿部运动。为帮助儿童参与高强度训练，研究团队将系统游戏化，让儿童伸展腿部时看到自己在踢球。

在训练之后，一系列测试显示出所有6名儿童的明显身体机能改善。磁共振成像（MRI）扫描显示，他们的股四头肌截面面积增大；扭矩测量显示膝部力量增强；神经电活动记录表明神经传导效率增加；而且，他们从坐姿站起所需的角度从111度降至104度。

“他们考察了众多指标，这一点很棒。”美国凯斯西储大学的生物工程师Sandra Hnat说。肌肉扫描和神经记录证实了观察到的功能改善。

Hnat说，制造这款机器人使用的技术并不是突破性的，但它推动了一个趋势：使用可穿戴机器人，不仅用于辅助运动，也可用于训练和增强身体。这项研究还将这项技术应用在了一个医疗资源不足的少儿群体。

Shu同意这一点，他说“各项组件此前在其他工作中已有报道。”在他看来，这项研究的简单前提是整合近期工程创新，结合到一个可穿戴设备中，服务于“真正特别需要它的人”。

Hnat和 Pirondini都赞赏了这一设备的小巧和易得，但指出这项研究的结论受限于没有对照组——可通过机器人之外的其他高强度训练来确定这种机器人是否具有独特的优势。

Shu承认了这一不足。他说，如果不能保证参与家庭获得机器人干预，他们往往不愿参与。他坦承，资金也是个限制因素。

冯仰刚说，该设备是SMA基因疗法的辅助，并认为它在这种疾病之外也有用武之地。研究团队希望，这一系统能被调整用于训练其他关节和肌肉。但首先需要找到投资者来支持其开发。