【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)工學(xué)院先進制造與機器人系教授王啟寧課題組在智能動力下肢假肢方面取得重要突破，提出一種受馬尾草啟發(fā)的折紙軟體動力膝關(guān)節(jié)假肢，這是國際首款軟體膝關(guān)節(jié)假肢。研究成果以“Bioinspired Origami-based Soft Prosthetic Knee”為題，于2024年12月30日發(fā)表于Nature Communications上(DOI: 10.1038/s41467-024-55201-1)。
 

　　膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計的主要目標(biāo)是既滿足殘疾人日常基本的行動功能需求，如在平地、崎嶇路面、樓梯、斜坡上行走等功能，又保證用戶穿戴的舒適性，具備如輕便、仿生、減震以及定制化等特性。目前，膝關(guān)節(jié)假肢都是剛性假肢，采用高密度的金屬材料制成，且各部分功能結(jié)構(gòu)相對獨立，在提高功能性的同時會增大系統(tǒng)體積、重量，且剛性框架的緩沖性能也十分有限，很難兼顧功能性和舒適性。近年來，軟體材料的高度發(fā)展有望為機器人領(lǐng)域提供創(chuàng)新的解決方案和功能上的增強。其固有的低密度、柔順性、緩沖性和便于3D打印的特性使軟體機器人具備輕便、柔順、減震、便于制造等特點，這十分契合膝關(guān)節(jié)假肢對于穿戴舒適性的設(shè)計要求。然而，軟體材料的高柔順性也導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)在運動和承重時會產(chǎn)生無法避免的非必要形變，這一方面不利于建模計算和運動控制，另一方面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)難以承受人體重量，阻礙了軟體機器人在膝關(guān)節(jié)假肢上的應(yīng)用。
 

　　本研究首次提出了基于折紙的仿生軟體膝關(guān)節(jié)假肢，如圖1所示，假肢包含了折紙結(jié)構(gòu)、表面加固塊、大腿、小腿連接模塊。軟體假肢主體由熱塑性聚氨酯3D打印制成，膝關(guān)節(jié)單元重量僅有300g，假肢高度僅為15cm。折紙結(jié)構(gòu)由正面折紙結(jié)構(gòu)和背面折紙結(jié)構(gòu)組合而成。利用折紙結(jié)構(gòu)的大范圍折展特性，假肢可以滿足膝關(guān)節(jié)大范圍運動的要求。
 

圖1 折紙軟體膝關(guān)節(jié)總覽
 

　　本研究提出一種具有變轉(zhuǎn)動中心性質(zhì)的折紙結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中虛線為谷線，實線為山線，紅色虛線為輔助線。沿山線和谷線折疊，并使A1B和A2B、D1C和D2C分別重合，即可形成如圖2(b)所示的3D折紙結(jié)構(gòu)。
 

圖2 正面折紙結(jié)構(gòu)折痕設(shè)計圖
 

　　其中，AB和CD分別定義為大腿桿和小腿桿，L1、L2、α1、α2、β均為折痕設(shè)計參數(shù)，通過改變這幾個參數(shù)，可以調(diào)整折紙構(gòu)型以及結(jié)構(gòu)上、下部分的不對稱度，如圖3所示。該不對稱度影響著折紙膝關(guān)節(jié)的屈膝角度變化、最大屈膝角度以及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動瞬心的曲線樣貌，通過調(diào)整這些設(shè)計參數(shù)擬合人體膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心，即可實現(xiàn)仿人的膝關(guān)節(jié)多中心轉(zhuǎn)動。
 

　　圖3 ABE12及DCE12在3D折紙結(jié)構(gòu)折展過程中的變化與α1、α2、β的關(guān)系
 

　　馬尾草是一種常見的具有管狀結(jié)構(gòu)的植物，這種植物有些可以長到5米高，但是只有2厘米粗，如圖4所示，通過對其莖的截斷面進行觀察，可以看到一個由薄的外環(huán)強化組織和更厚的內(nèi)環(huán)軟組織組成的結(jié)構(gòu)，在馬尾草被彎折的時候，外環(huán)形成的管狀結(jié)構(gòu)受擠壓，使得內(nèi)部軟組織細(xì)胞內(nèi)壓上升，從而提高結(jié)構(gòu)剛度抵抗彎折。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，在髓腔生長過程中，管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上會形成褶皺結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力最集中的部位，褶皺處會進一步凹陷，擠壓局部細(xì)胞，使細(xì)胞內(nèi)壓進一步上升，從而提高局部結(jié)構(gòu)強度。由此，本研究總結(jié)出馬尾草抗彎折的兩大關(guān)鍵機制，即流體壓制穩(wěn)定和受壓內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。
 

　　為了模仿馬尾草抗彎折的機制，提高軟體結(jié)構(gòu)的承重能力，本研究設(shè)計了背面折紙結(jié)構(gòu)，與正面折紙結(jié)構(gòu)共同組成一個軟體氣動腔體，利用氣腔氣壓模擬馬尾草的細(xì)胞液壓。通過調(diào)整正面和背面的折痕相對于壓力方向的夾角，使正面折紙結(jié)構(gòu)在承受壓力時相對剛度更大，來模仿馬尾草中外環(huán)強化組織的作用。隨著氣腔內(nèi)氣壓的上升，軟體折紙結(jié)構(gòu)的整體剛度提升，從而抵抗外部壓力，維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過對氣腔預(yù)充氣壓的調(diào)節(jié)，我們可以調(diào)整軟體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度，以應(yīng)對不同程度的壓力。進一步地，通過對背面結(jié)構(gòu)的折痕設(shè)計，結(jié)合正面折紙結(jié)構(gòu)變形時兩側(cè)張開、上下壓縮的同步運動特點，使背面折紙結(jié)構(gòu)在順應(yīng)正面結(jié)構(gòu)運動的同時產(chǎn)生由外凸向內(nèi)凹的運動變化，從而進一步壓縮氣腔體積，模仿馬尾草髓腔褶皺受壓內(nèi)凹的機制，進一步增強軟體假肢的抗壓能力。
 

圖4 仿馬尾草抗彎折機制的軟體結(jié)構(gòu)設(shè)計
 

　　本研究通過對折紙結(jié)構(gòu)折面部分的加固，可以有效約束折面的非必要形變，從而將形變誤差限制在折痕部分。由于折痕只占折紙結(jié)構(gòu)很小的一部分，因此通過加固折面可以有效降低結(jié)構(gòu)整體的非必要形變量，提高運動精度。
 

　　通過實驗臺實驗，本研究先后對軟體膝關(guān)節(jié)假肢的氣動控制、瞬心軌跡擬合程度、多維沖擊吸收、承載能力、力矩輸出能力進行了測試。如圖5所示，結(jié)果表明，折紙結(jié)構(gòu)可以模仿人體膝關(guān)節(jié)變轉(zhuǎn)動中心運動，軟體膝關(guān)節(jié)假肢可以在氣壓驅(qū)動下進行較為精準(zhǔn)的運動，實際運動與理論計算接近，驅(qū)動帶寬滿足殘疾人快速行走的要求。軟體假肢面對不同方向的外部沖擊，都比剛性假肢具有更強的緩沖能力(可多吸收11.5%至17.3%的沖擊力)。提出的軟體膝關(guān)節(jié)假肢可以在較低的預(yù)充氣壓下承載超過75kg的重量(其自重的250倍)，并能主動輸出超過25Nm的伸膝力矩。
 

圖5 實驗臺實驗結(jié)果
 

　　此外，本研究邀請三名殘疾人被試參加一系列行走實驗，如1m/s和1.25m/s跑步機行走，上、下15cm臺階，上、下10°斜坡，跨越障礙等。圖6展示的是殘疾人分別穿戴軟體假肢和日常使用的剛性假肢在跑步機上以1m/s和1.25m/s的速度行走的實驗結(jié)果，實驗采集了殘疾人殘側(cè)和健側(cè)的關(guān)節(jié)角度、肌肉激活程度、足底壓力、假肢對地面沖擊力和振幅的的吸收，并進行了步態(tài)對稱性分析。結(jié)果表明，盡管殘疾人對軟體假肢不熟悉，仍可以穿戴軟體膝關(guān)節(jié)假肢以正常步速和較快步速行走，并具有更好的步態(tài)對稱性，殘疾人不僅更省力，受到的沖擊也更小，主觀上也認(rèn)為行走時的舒適度更高。
 

圖6 殘疾人跑步機行走實驗結(jié)果
 

　　在多地形行走實驗中，本研究主要采集了殘疾人的關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)，旨在驗證軟體假肢的多功能性。如圖7所示，實驗結(jié)果表明，軟體膝關(guān)節(jié)假肢可以支持殘疾人進行交替腿上、下樓梯/斜坡，并能夠連續(xù)跨越障礙物，假肢可以識別殘疾人的運動意圖并提供充分的運動范圍和力。
 

圖7 殘疾人多地形行走實驗結(jié)果
 

　　本研究提出了首款軟體膝關(guān)節(jié)假肢，為下肢假肢的設(shè)計提供了全新的思路。假肢設(shè)計者和研究人員們可以不受傳統(tǒng)機械設(shè)計的限制，采用全新的設(shè)計方法設(shè)計假肢。適用于軟體下肢假肢應(yīng)用場景的新材料、新驅(qū)動、新傳感的開發(fā)也將為軟體機器人的發(fā)展注入新鮮血液。基于3D打印等新制造方法的定制化下肢假肢制造也將成為研究熱點，快速且低成本的制造會加快技術(shù)迭代并降低研發(fā)門檻。研究人員們相信，軟體膝關(guān)節(jié)假肢的實現(xiàn)將會開啟一個全新的交叉研究領(lǐng)域。
 

　　該論文的第一作者為北京大學(xué)工學(xué)院博士生高思源，王啟寧為唯一通訊作者。合作者包括康復(fù)大學(xué)楊承旭博士、北京大學(xué)工學(xué)院碩士生陳鴻汀、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院賀新強教授、北京大學(xué)工學(xué)院阮樂成博士。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金委的資助。