骨骼肌生物力学原理及新一代仿生假肢研究

由于无法进行人体活体骨骼肌实验验证，探索骨骼肌生物力学原理是生命科技中最具挑战性的研究课题之一。先从微观上研究肌球蛋白与肌动蛋白从接近、接触到相对运动整个循环过程中的动态力学行为，进行肌球蛋白分子马达的微动力学分析，探索肌球蛋白在多场耦合作用下的运动规律，分析由肌动蛋白与肌球蛋白构成的肌小节的收缩力学特征，建立骨骼肌收缩的动态力学模型。借助三维步态分析仪和肌电信号仪等先进设备，进行正向和逆向动力学分析取代离体肌肉实验求取每块肌肉的力学数据，来对骨骼肌动态力学模型进行参数辨识，研究神经激励水平、肌肉长度和收缩速度与肌肉力之间动态函数关系，获取骨骼肌生物力学模型。进而综合形状记忆合金与电聚合物的优点，设计新型仿生骨骼肌，研制新一代并联作用式人工假肢，开发先进的人/假肢交互接口，实现人/假肢一体化自然和谐统一。本研究成果可直接应用于残疾患者，对促进生命科学和康复工程发展具有重要理论意义。

探索骨骼肌的生物力学原理，对人体骨骼肌的收缩进行在体实验验证一直是生命科学及生物医学领域最具挑战性的课题之一。项目从理论建模、实验验证与工程应用等方面开展了深入研究，取得了以下重要成果。在理论上，研究了肌球蛋白马达在van der Waals力、Casimir力、静电力及布朗力耦合作用下向肌动蛋白丝接近的动态力学行为，揭示了单个分子马达运行的多力场耦合机理，发现在接近过程中静电力起主导作用；利用非平衡态统计力学分析了集体分子马达的运行机制，建立了肌小节的主动收缩力模型，并探索了马达数目、外负载和[ATP]等因素对收缩力的影响；在此基础上，进一步结合肌小节串并联特征构建了骨骼肌生物力学模型。通过对肌纤维膜上的动作电位产生及肌浆Ca2+的扩散进行物理建模，提出了骨骼肌收缩的生物电化学变频调控原理；针对肌梭对肌肉收缩速度/长度的变频反馈，基于动力系统理论及Markov过程，建立了其传入神经在运动神经元的主动突触后反应模型；此外，为解决sEMG信号控制信息的实时准确提取难题，提出了特征频率及微分处理方法；进一步基于动力系统理论，提出了sEMG信号的振子模型与能量核分析方法。在实验验证上，根据所提出的骨骼肌收缩的生物力学模型，进一步得到动作电位频率与肌肉力的动态传递关系，基于课题组自主设计的下肢外骨骼机器人，采集人体腿部股直肌与股二头肌的sEMG信号以提取动作电位的频率信息，并通过气囊反馈下肢力，得到实际的激活量与肌肉力关系；通过与理论预测相比较，验证了模型的正确性；通过能量核方法，从控制信号的能量与肌肉力的对应角度进行了重复实验，进一步验证了模型的有效性，并发现此方法能有效识别肌肉控制信号的固有频率，且比传统的RMS方法具有更高的鲁棒性。在工程应用上，基于SMA相变动力学研究，为模拟骨骼肌的自传感特性，提出了通过SMA电阻率感知其应力的自反馈模型；为克服SMA控制的非线性滞后难点，基于sigmoid函数建立了逆滞后模型，利用前馈补偿消除了控制中的滞后现象，并基于回转式SMA丝及硅管等辅助材料，设计了传感-驱动-结构一体化的新型仿生骨骼肌；基于上述sEMG的处理方法及AR谱估计等方法，借助气囊力反馈，开发了用于假肢/外骨骼的新型双向人机交互接口，实现了延伸本体感知与人机协调控制，并且相关成果已成功临床应用。