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一次充电,15460步!新型仿生腿让截肢者轻松行走,轻巧、有力、还能自发电

学术头条 学术头条 2022-12-02


生活中,任何人都可能会或多或少地遭遇一些不幸,比如车祸、火灾、疾病等,从而造成一定的物质损失。

更甚者,这些不幸还可能导致数百万、甚至更多人失去维持活动能力的肢体,无法在物质充裕的世界得到精神上的满足。

如今,
一种新型仿生腿(动力假腿)有望大大增加截肢患者的行动能力。

来自犹他大学的研究团队为截肢患者开发了一种具有膝盖、脚踝和脚趾关节生物力学的仿生腿。该仿生腿不仅重量轻,而且还能在穿戴者行走过程中再生能量,延长其内部电池的工作时间。

而且,临床前试验表明,
该仿生腿可以进行接近标准运动学和动力学的常见步行活动,帮助截肢患者在水平地面和楼梯上行走。

相关研究论文以“A lightweight robotic leg prosthesis replicating the biomechanics of the knee, ankle, and toe joint”为题,以封面文章的形式发表在科学期刊 Science Robotics 上。犹他大学机械工程系助理教授 Tommaso Lenzi 为该论文的通讯作者。

(来源:Science Robotics


据介绍,该仿生腿充满一次电预计可以支持截肢患者行走 15460 步(正常人每天的平均步数为 7500-10000),适用于身高在 1.60-1.91 米之间、体重在 59-91 公斤之间的截肢患者。

轻型、灵活、自发电

顾名思义,仿生腿能通过模仿缺失肢体的生物力学,来改善肢截肢患者的活动能力和生活质量。

然而,在以往的研究中,大多数膝上截肢患者使用的假肢都是由微处理器控制的被动装置,不能很好地复制缺失生物腿的关键生物力学功能,比如主动产生动作或向步态周期内注入能量等。

另外,生物力学模拟和非计算机个体实验表明,腿部踝关节在行走过程中可以提供相当大的净正能量。如果踝关节受损或缺失,截至患者必须通过增加残肢和完整肢体的力量,来补偿缺失的踝关节能量,从而形成不自然、不对称、甚至无效的步态模式。

因此,对于截肢患者而言,穿戴普通假肢行走是比较吃力的,在爬楼梯、爬斜坡、站起来、坐下等方面也更具挑战性。

(来源:Pixabay)


尽管传统的动力假肢可以为截肢患者提供一定的动力,但也存在比被动假肢更重、更大以及电池寿命更短等问题,在临床可行性和实用性等方面受到了很大的限制。

在之前的研究中,Lenzi 团队曾开发了一套
轻型动力外骨骼,该设备使用电机、微处理器和先进算法帮助下肢截肢者行走,就像电动自行车帮助骑手踩着踏板上坡一样(点击查看详情 )

在此次研究中,Lenzi 团队更进一步,在矢状面上复制了生物学膝盖、脚踝和脚趾的关键生物力学功能,在重量、尺寸和电池寿命方面也达到了传统微处理器控制假肢的水准。


图|三个膝上截肢患者在跑步机上和楼梯上走动。(来源:该论文)


据论文描述,动力膝关节采用了一种独特的扭矩感应机制,同时具备了弹性制动器和可变传动装置的优点。

图|膝盖模型中的主要电气和机械部件。(来源:该论文)


而且,单个制动器可以通过一个兼容的、欠驱动的机制为脚踝和脚趾关节提供动力。

图|脚踝模型中的主要电气和机械部件。(来源:该论文)


在穿戴者行走过程中,欠驱动系统不仅会再生大量的机械能,也会复制脚踝/足部复合体的关键生物力学功能。

而且,所有机械和电气组件都被整合到一个紧凑的假体框架内,增加了仿生腿的鲁棒性和效率。

图|仿生腿实图,以及仿生腿模型中的主要电气和机械部件。(来源:该论文)


当切换为被动模式时,穿戴者每迈出一步,仿生腿就可以再生 2J 的电能,即使电池耗尽,也可以无限地行走。在现实世界中,这是一个非常重要的功能,因为截肢患者有时会可能没带充电器,或者忘记给假肢充电。这在以往的仿生腿研究中是无法实现的。

因此,研究团队认为,具有这些特点的仿生腿有潜力改善膝上截肢患者的实际行动能力,包括老年人和血管紊乱的参与者等,他们缺乏使用重型动力设备所需的力量和平衡能力。

每个人都能用吗?

然而,尽管该仿生腿展现出了优于其他机械假腿的性能,但仍然存在一些需要改进的方面。

例如,该仿生腿不能单独控制脚踝和脚趾关节,脚踝和脚趾扭矩之间的比例是固定的,不能根据用户的需要或偏好进行更改。

仿真结果表明,弹性更强的弹簧可以提高动态性能和电气效率,但更长的弹簧也意味着踝关节和脚趾关节的活动范围的减少。


而且,即使采用了欠驱动设计,趾关节的加入也会增加该仿生腿的重量。因此,有必要开展有趾关节和没有趾关节或不同脚踝/趾扭矩比的对比试验,来评估趾关节对临床结果的影响。

另外,类似于大多数微处理器控制和动力踝关节/假肢,该仿生腿设计没有正面平面驱动。尽管增加正面平面驱动可能会增加假体的尺寸和重量,但也可能改善临床结果,特别是当走在斜坡和崎岖的地形上时,还需要进更多的试验来做进一步验证。

或许,要满足每个人都能
定制使用的需求,还有一段路要走。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996



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