北京大學(xué)近日發(fā)文稱，北大工學(xué)院王啟寧教授課題組在智能動(dòng)力下肢假肢領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了一種受馬尾草啟發(fā)的折紙軟體動(dòng)力膝關(guān)節(jié)假肢。

這一創(chuàng)新假肢是國(guó)際首款軟體膝關(guān)節(jié)假肢，為下肢假肢的設(shè)計(jì)提供了全新的思路。IT之家查詢發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究成果已于 2024 年 12 月 30 日發(fā)表于《Nature Communications》上。

傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)假肢多由剛性金屬材料制成，功能模塊獨(dú)立，導(dǎo)致假肢體積大、重量重，且舒適性較差。隨著軟體材料技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究開(kāi)始探索將軟體材料應(yīng)用于假肢設(shè)計(jì)，利用其低密度、柔順性和減震性等優(yōu)勢(shì)。

然而，軟體材料的柔順性使得結(jié)構(gòu)在承重時(shí)容易產(chǎn)生不必要的變形，限制了其在膝關(guān)節(jié)假肢上的應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，王啟寧教授課題組首次提出了基于折紙結(jié)構(gòu)的軟體膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)。該假肢結(jié)合了折紙結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)控制技術(shù)，能夠在氣壓驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，滿足不同地形和功能的需求。假肢的主要組件由熱塑性聚氨酯 3D 打印制成，膝關(guān)節(jié)單元重量?jī)H為 300g，假肢整體高度為 15cm，具有較強(qiáng)的仿生性和舒適性。

折紙軟體膝關(guān)節(jié)總覽

研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中借鑒了馬尾草的結(jié)構(gòu)特性。馬尾草的管狀莖結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)外環(huán)和內(nèi)環(huán)的協(xié)同作用有效抗彎折，為軟體假肢提供了啟發(fā)。通過(guò)模仿馬尾草的受壓內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，課題組在折紙結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了背面折紙和氣動(dòng)腔體，從而提升了假肢的剛度和承重能力。

通過(guò)調(diào)整氣腔內(nèi)的壓力，研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)假肢剛度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，模仿馬尾草的細(xì)胞液壓機(jī)制，以適應(yīng)不同的外部壓力。此外，折紙結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)有效限制了非必要的形變，提升了運(yùn)動(dòng)精度和舒適度。

仿馬尾草抗彎折機(jī)制的軟體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了軟體膝關(guān)節(jié)假肢的氣動(dòng)控制、力矩輸出和承載能力等性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟體膝關(guān)節(jié)假肢能夠模擬人體膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，具有較強(qiáng)的緩沖能力和精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，能夠在較低氣壓下承載超過(guò) 75kg 的重量，且主動(dòng)輸出伸膝力矩超過(guò) 25Nm。

在實(shí)際行走實(shí)驗(yàn)中，三名殘疾人參與了軟體假肢的試用。結(jié)果顯示，受試者能夠以正常步速和較快步速行走，并表現(xiàn)出較好的步態(tài)對(duì)稱性。軟體假肢不僅提升了殘疾人的行走舒適性，還有效減少了行走中的沖擊力。

殘疾人多地形行走實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此外，軟體膝關(guān)節(jié)假肢在多種地形下表現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性，能夠支持殘疾人上下樓梯、斜坡行走及跨越障礙物，證明了其多功能性和實(shí)際應(yīng)用潛力。