生活中，任何人都可能會(huì)或多或少地遭遇一些不幸，比如車禍、火災(zāi)、疾病等，從而造成一定的物質(zhì)損失。更甚者，這些不幸還可能導(dǎo)致數(shù)百萬、甚至更多人失去維持活動(dòng)能力的肢體，無法在物質(zhì)充裕的世界得到精神上的滿足。如今，一種新型仿生腿（動(dòng)力假腿）有望大大增加截肢患者的行動(dòng)能力。來自猶他大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)為截肢患者開發(fā)了一種具有膝蓋、腳踝和腳趾關(guān)節(jié)生物力學(xué)的仿生腿。該仿生腿不僅重量輕，而且還能在穿戴者行走過程中再生能量，延長(zhǎng)其內(nèi)部電池的工作時(shí)間。而且，臨床前試驗(yàn)表明，該仿生腿可以進(jìn)行接近標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的常見步行活動(dòng)，幫助截肢患者在水平地面和樓梯上行走。相關(guān)研究論文以“A lightweight robotic leg prosthesis replicating the biomechanics of the knee, ankle, and toe joint”為題，以封面文章的形式發(fā)表在科學(xué)期刊 Science Robotics 上。猶他大學(xué)機(jī)械工程系助理教授 Tommaso Lenzi 為該論文的通訊作者。

（來源：Science Robotics）

(相關(guān)資料圖)

據(jù)介紹，該仿生腿充滿一次電預(yù)計(jì)可以支持截肢患者行走 15460 步（正常人每天的平均步數(shù)為 7500-10000），適用于身高在 1.60-1.91 米之間、體重在 59-91 公斤之間的截肢患者。

輕型、靈活、自發(fā)電

顧名思義，仿生腿能通過模仿缺失肢體的生物力學(xué)，來改善肢截肢患者的活動(dòng)能力和生活質(zhì)量。然而，在以往的研究中，大多數(shù)膝上截肢患者使用的假肢都是由微處理器控制的被動(dòng)裝置，不能很好地復(fù)制缺失生物腿的關(guān)鍵生物力學(xué)功能，比如主動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)作或向步態(tài)周期內(nèi)注入能量等。另外，生物力學(xué)模擬和非計(jì)算機(jī)個(gè)體實(shí)驗(yàn)表明，腿部踝關(guān)節(jié)在行走過程中可以提供相當(dāng)大的凈正能量。如果踝關(guān)節(jié)受損或缺失，截至患者必須通過增加殘肢和完整肢體的力量，來補(bǔ)償缺失的踝關(guān)節(jié)能量，從而形成不自然、不對(duì)稱、甚至無效的步態(tài)模式。因此，對(duì)于截肢患者而言，穿戴普通假肢行走是比較吃力的，在爬樓梯、爬斜坡、站起來、坐下等方面也更具挑戰(zhàn)性。

（來源：Pixabay）

盡管傳統(tǒng)的動(dòng)力假肢可以為截肢患者提供一定的動(dòng)力，但也存在比被動(dòng)假肢更重、更大以及電池壽命更短等問題，在臨床可行性和實(shí)用性等方面受到了很大的限制。在之前的研究中，Lenzi 團(tuán)隊(duì)曾開發(fā)了一套輕型動(dòng)力外骨骼，該設(shè)備使用電機(jī)、微處理器和先進(jìn)算法幫助下肢截肢者行走，就像電動(dòng)自行車幫助騎手踩著踏板上坡一樣。（點(diǎn)擊查看詳情 ） 在此次研究中，Lenzi 團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，在矢狀面上復(fù)制了生物學(xué)膝蓋、腳踝和腳趾的關(guān)鍵生物力學(xué)功能，在重量、尺寸和電池壽命方面也達(dá)到了傳統(tǒng)微處理器控制假肢的水準(zhǔn)。

圖｜三個(gè)膝上截肢患者在跑步機(jī)上和樓梯上走動(dòng)。（來源：該論文）

據(jù)論文描述，動(dòng)力膝關(guān)節(jié)采用了一種獨(dú)特的扭矩感應(yīng)機(jī)制，同時(shí)具備了彈性制動(dòng)器和可變傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)。

圖｜膝蓋模型中的主要電氣和機(jī)械部件。（來源：該論文）

而且，單個(gè)制動(dòng)器可以通過一個(gè)兼容的、欠驅(qū)動(dòng)的機(jī)制為腳踝和腳趾關(guān)節(jié)提供動(dòng)力。

圖｜腳踝模型中的主要電氣和機(jī)械部件。（來源：該論文）

在穿戴者行走過程中，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅會(huì)再生大量的機(jī)械能，也會(huì)復(fù)制腳踝/足部復(fù)合體的關(guān)鍵生物力學(xué)功能。而且，所有機(jī)械和電氣組件都被整合到一個(gè)緊湊的假體框架內(nèi)，增加了仿生腿的魯棒性和效率。

圖｜仿生腿實(shí)圖，以及仿生腿模型中的主要電氣和機(jī)械部件。（來源：該論文）

當(dāng)切換為被動(dòng)模式時(shí)，穿戴者每邁出一步，仿生腿就可以再生 2J 的電能，即使電池耗盡，也可以無限地行走。在現(xiàn)實(shí)世界中，這是一個(gè)非常重要的功能，因?yàn)榻刂颊哂袝r(shí)會(huì)可能沒帶充電器，或者忘記給假肢充電。這在以往的仿生腿研究中是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，具有這些特點(diǎn)的仿生腿有潛力改善膝上截肢患者的實(shí)際行動(dòng)能力，包括老年人和血管紊亂的參與者等，他們?nèi)狈κ褂弥匦蛣?dòng)力設(shè)備所需的力量和平衡能力。

每個(gè)人都能用嗎？

然而，盡管該仿生腿展現(xiàn)出了優(yōu)于其他機(jī)械假腿的性能，但仍然存在一些需要改進(jìn)的方面。例如，該仿生腿不能單獨(dú)控制腳踝和腳趾關(guān)節(jié)，腳踝和腳趾扭矩之間的比例是固定的，不能根據(jù)用戶的需要或偏好進(jìn)行更改。仿真結(jié)果表明，彈性更強(qiáng)的彈簧可以提高動(dòng)態(tài)性能和電氣效率，但更長(zhǎng)的彈簧也意味著踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍的減少。

而且，即使采用了欠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，趾關(guān)節(jié)的加入也會(huì)增加該仿生腿的重量。因此，有必要開展有趾關(guān)節(jié)和沒有趾關(guān)節(jié)或不同腳踝/趾扭矩比的對(duì)比試驗(yàn)，來評(píng)估趾關(guān)節(jié)對(duì)臨床結(jié)果的影響。另外，類似于大多數(shù)微處理器控制和動(dòng)力踝關(guān)節(jié)/假肢，該仿生腿設(shè)計(jì)沒有正面平面驅(qū)動(dòng)。盡管增加正面平面驅(qū)動(dòng)可能會(huì)增加假體的尺寸和重量，但也可能改善臨床結(jié)果，特別是當(dāng)走在斜坡和崎嶇的地形上時(shí)，還需要進(jìn)更多的試驗(yàn)來做進(jìn)一步驗(yàn)證。或許，要滿足每個(gè)人都能定制使用的需求，還有一段路要走。

論文鏈接：

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

關(guān)鍵詞： 生物力學(xué) 微處理器 機(jī)械部件