近日，北京大學(xué)工學(xué)院傳來了一項(xiàng)令人振奮的科技創(chuàng)新消息。王啟寧教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組在智能動(dòng)力下肢假肢的研究中取得了重大突破，他們成功研發(fā)出一款受馬尾草啟發(fā)的折紙軟體動(dòng)力膝關(guān)節(jié)假肢，這一創(chuàng)新成果為下肢假肢設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了全新的視角。
據(jù)悉，這款軟體膝關(guān)節(jié)假肢是全球范圍內(nèi)的首款同類產(chǎn)品，它的出現(xiàn)標(biāo)志著假肢設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。相關(guān)研究成果已在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上發(fā)表，引起了廣泛關(guān)注。
傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)假肢大多采用剛性金屬材料制作，各個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，這不僅導(dǎo)致假肢體積龐大、重量過重，還使得穿戴者的舒適性大打折扣。隨著軟體材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的研究者開始嘗試將軟體材料應(yīng)用于假肢設(shè)計(jì)中，以期利用其輕質(zhì)、柔順以及良好的減震性能。
然而，軟體材料的柔順性也帶來了一個(gè)挑戰(zhàn)：在承重時(shí)容易產(chǎn)生不必要的變形，這限制了其在膝關(guān)節(jié)假肢中的廣泛應(yīng)用。為了攻克這一難題，王啟寧教授課題組提出了一個(gè)前所未有的設(shè)計(jì)——基于折紙結(jié)構(gòu)的軟體膝關(guān)節(jié)假肢。這款假肢結(jié)合了折紙藝術(shù)的美學(xué)與氣動(dòng)控制技術(shù)的精確性，能夠在氣壓的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，滿足不同場(chǎng)景下的功能需求。
在設(shè)計(jì)過程中，研究團(tuán)隊(duì)從自然界中汲取靈感，借鑒了馬尾草獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性。馬尾草的管狀莖通過外環(huán)和內(nèi)環(huán)的協(xié)同作用，展現(xiàn)出卓越的抗彎折能力。受此啟發(fā)，課題組在折紙結(jié)構(gòu)中巧妙設(shè)計(jì)了背面折紙和氣動(dòng)腔體，從而顯著提升了假肢的剛度和承重能力。
實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果顯示，這款軟體膝關(guān)節(jié)假肢在氣動(dòng)控制、力矩輸出和承載能力等方面均表現(xiàn)出色。它能夠模擬人體膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，具備強(qiáng)大的緩沖能力和精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制能力。在較低的氣壓下，假肢能夠承受超過75公斤的重量，并主動(dòng)輸出超過25牛米的伸膝力矩。
在實(shí)際行走實(shí)驗(yàn)中，三名殘疾人試用了這款軟體假肢，并取得了令人滿意的效果。他們能夠以正常甚至較快的步速行走，步態(tài)對(duì)稱性良好。這款軟體假肢不僅顯著提升了殘疾人的行走舒適性，還有效減少了行走過程中的沖擊力。
這款軟體膝關(guān)節(jié)假肢還展現(xiàn)出了強(qiáng)大的地形適應(yīng)性。無論是上下樓梯、斜坡行走還是跨越障礙物，它都能為殘疾人提供穩(wěn)定的支持，充分證明了其多功能性和實(shí)際應(yīng)用潛力。
