《骨骼肌生物力學原理及新一代仿生假肢研究》是依託上海交通大學，由殷躍紅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：骨骼肌生物力學原理及新一代仿生假肢研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：殷躍紅
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於無法進行人體活體骨骼肌實驗驗證，探索骨骼肌生物力學原理是生命科技中最具挑戰性的研究課題之一。先從微觀上研究肌球蛋白與肌動蛋白從接近、接觸到相對運動整個循環過程中的動態力學行為，進行肌球蛋白分子馬達的微動力學分析，探索肌球蛋白在多場耦合作用下的運動規律，分析由肌動蛋白與肌球蛋白構成的肌小節的收縮力學特徵，建立骨骼肌收縮的動態力學模型。藉助三維步態分析儀和肌電信號儀等先進設備，進行正向和逆向動力學分析取代離體肌肉實驗求取每塊肌肉的力學數據，來對骨骼肌動態力學模型進行參數辨識，研究神經激勵水平、肌肉長度和收縮速度與肌肉力之間動態函式關係，獲取骨骼肌生物力學模型。進而綜合形狀記憶合金與電聚合物的優點，設計新型仿生骨骼肌，研製新一代並聯作用式人工假肢，開發先進的人/假肢互動接口，實現人/假肢一體化自然和諧統一。本研究成果可直接套用於殘疾患者，對促進生命科學和康復工程發展具有重要理論意義。
結題摘要
探索骨骼肌的生物力學原理，對人體骨骼肌的收縮進行在體實驗驗證一直是生命科學及生物醫學領域最具挑戰性的課題之一。項目從理論建模、實驗驗證與工程套用等方面開展了深入研究，取得了以下重要成果。在理論上，研究了肌球蛋白馬達在van der Waals力、Casimir力、靜電力及布朗力耦合作用下向肌動蛋白絲接近的動態力學行為，揭示了單個分子馬達運行的多力場耦合機理，發現在接近過程中靜電力起主導作用；利用非平衡態統計力學分析了集體分子馬達的運行機制，建立了肌小節的主動收縮力模型，並探索了馬達數目、外負載和[ATP]等因素對收縮力的影響；在此基礎上，進一步結合肌小節串並聯特徵構建了骨骼肌生物力學模型。通過對肌纖維膜上的動作電位產生及肌漿Ca2+的擴散進行物理建模，提出了骨骼肌收縮的生物電化學變頻調控原理；針對肌梭對肌肉收縮速度/長度的變頻反饋，基於動力系統理論及Markov過程，建立了其傳入神經在運動神經元的主動突觸後反應模型；此外，為解決sEMG信號控制信息的實時準確提取難題，提出了特徵頻率及微分處理方法；進一步基於動力系統理論，提出了sEMG信號的振子模型與能量核分析方法。在實驗驗證上，根據所提出的骨骼肌收縮的生物力學模型，進一步得到動作電位頻率與肌肉力的動態傳遞關係，基於課題組自主設計的下肢外骨骼機器人，採集人體腿部股直肌與股二頭肌的sEMG信號以提取動作電位的頻率信息，並通過氣囊反饋下肢力，得到實際的激活量與肌肉力關係；通過與理論預測相比較，驗證了模型的正確性；通過能量核方法，從控制信號的能量與肌肉力的對應角度進行了重複實驗，進一步驗證了模型的有效性，並發現此方法能有效識別肌肉控制信號的固有頻率，且比傳統的RMS方法具有更高的魯棒性。在工程套用上，基於SMA相變動力學研究，為模擬骨骼肌的自感測特性，提出了通過SMA電阻率感知其應力的自反饋模型；為克服SMA控制的非線性滯後難點，基於sigmoid函式建立了逆滯後模型，利用前饋補償消除了控制中的滯後現象，並基於迴轉式SMA絲及矽管等輔助材料，設計了感測-驅動-結構一體化的新型仿生骨骼肌；基於上述sEMG的處理方法及AR譜估計等方法，藉助氣囊力反饋，開發了用於假肢/外骨骼的新型雙向人機互動接口，實現了延伸本體感知與人機協調控制，並且相關成果已成功臨床套用。
