北大研发全球首款软体膝关节假肢，轻便减震提升舒适性

近日，北京大学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突破，提出了一种受马尾草启发的折纸软体动力膝关节假肢。

这一创新假肢是全球首款软体膝关节假肢，为下肢假肢设计带来了全新思路。最新研究成果已发表于《Nature Communications》杂志。

传统的膝关节假肢多采用刚性金属材料，致使体积庞大、重量过重，舒适性较差。随着软体材料技术的进步，研究人员开始将软体材料运用到假肢设计中，利用其低密度、柔软和减震特性。

然而，软体材料的柔软性使得在受力时易发生形变，限制了在膝关节假肢中的应用。为应对这一挑战，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，以满足各种地形和功能需求。假肢的主要组件采用热塑性聚氨酯3D打印制成，膝关节单元重量仅300g，全高15cm，具备出色的仿生性和舒适性。

研究团队在设计中参考了马尾草的结构特性。马尾草的管状茎结构通过外环和内环的协同作用有效抗弯折，为软体假肢设计提供了启示。通过模仿马尾草的受力凹凸结构，课题组设计了背面折纸和气动腔体，从而增强了假肢的刚度和承重能力。

通过调整气腔内的压力，研究团队能够灵活调节假肢刚度，仿效马尾草的细胞压力机制，以适应不同外部压力。此外，折纸结构的加固设计有效抑制了不必要的形变，提高了运动精度和舒适性。

实验室测试验证了软体膝关节假肢的气动控制、力矩输出和承载性能等。研究结果显示，软体膝关节假肢能够模拟人体膝关节转动中心，具有出色的缓冲性能和精准运动控制，可在低气压下承载超过75kg的重量，且能主动输出超过25Nm的伸膝力矩。

三名残疾人参与了软体假肢的行走试验。结果显示，试验者在正常和较快步速下行走，步态对称性良好。软体假肢不仅提升了残疾人的行走舒适性，还有效减轻了行走中的冲击力。

此外，软体膝关节假肢在多种地形下展现出优异适应性，可支持残疾人上下楼梯、攀登斜坡、跨越障碍物，证明了其多功能性和实际应用潜力。

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