IT之家 2 月 19 日消息，北京大学今日发文称，北大工学院王启宁教授课题组在智能动力下肢假肢领域取得重要进展，提出了一种受马尾草启发的折纸软体动力膝关节假肢。
这一创新假肢是国际首款软体膝关节假肢，为下肢假肢的设计提供了全新的思路。IT之家查询发现，相关研究成果已于 2024 年 12 月 30 日发表于《Nature Communications》上。
传统膝关节假肢多由刚性金属材料制成，功能模块独立，导致假肢体积大、重量重，且舒适性较差。随着软体材料技术的发展，越来越多的研究开始探索将软体材料应用于假肢设计，利用其低密度、柔顺性和减震性等优势。
然而，软体材料的柔顺性使得结构在承重时容易产生不必要的变形，限制了其在膝关节假肢上的应用。为了解决这一问题，王启宁教授课题组首次提出了基于折纸结构的软体膝关节假肢设计。该假肢结合了折纸结构与气动控制技术，能够在气压驱动下实现精准运动，满足不同地形和功能的需求。假肢的主要组件由热塑性聚氨酯 3D 打印制成，膝关节单元重量仅为 300g，假肢整体高度为 15cm，具有较强的仿生性和舒适性。
研究团队在设计中借鉴了马尾草的结构特性。马尾草的管状茎结构能够通过外环和内环的协同作用有效抗弯折，为软体假肢提供了启发。通过模仿马尾草的受压内凹结构，课题组在折纸结构中设计了背面折纸和气动腔体，从而提升了假肢的刚度和承重能力。
通过调整气腔内的压力，研究团队能够实现假肢刚度的动态调节，模仿马尾草的细胞液压机制，以适应不同的外部压力。此外，折纸结构的加固设计有效限制了非必要的形变，提升了运动精度和舒适度。
通过实验室测试，研究团队验证了软体膝关节假肢的气动控制、力矩输出和承载能力等性能。实验结果表明，软体膝关节假肢能够模拟人体膝关节的转动中心，具有较强的缓冲能力和精准的运动控制，能够在较低气压下承载超过 75kg 的重量，且主动输出伸膝力矩超过 25Nm。
在实际行走实验中，三名残疾人参与了软体假肢的试用。结果显示，受试者能够以正常步速和较快步速行走，并表现出较好的步态对称性。软体假肢不仅提升了残疾人的行走舒适性，还有效减少了行走中的冲击力。
此外，软体膝关节假肢在多种地形下表现出优异的适应性，能够支持残疾人上下楼梯、斜坡行走及跨越障碍物，证明了其多功能性和实际应用潜力。
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