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）

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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

关键词： 生物力学 微处理器 机械部件