【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)制造與機(jī)器人系教授王啟寧課題組在智能動(dòng)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(dòng)力膝關(guān)節(jié)假肢，這是國(guó)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(jì)的主要目標(biāo)是既滿足殘疾人日常基本的行動(dòng)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(duì)獨(dú)立，在提高功能性的同時(shí)會(huì)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(lái)，軟體材料的高度發(fā)展有望為機(jī)器人領(lǐng)域提供創(chuàng)新的解決方案和功能上的增強(qiáng)。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(jī)器人具備輕便、柔順、減震、便于制造等特點(diǎn)，這十分契合膝關(guān)節(jié)假肢對(duì)于穿戴舒適性的設(shè)計(jì)要求。然而，軟體材料的高柔順性也導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)和承重時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)法避免的非必要形變，這一方面不利于建模計(jì)算和運(yùn)動(dòng)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(jī)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?jī)H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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)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(jì)參數(shù)，通過(guò)改變這幾個(gè)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(duì)稱度，如圖3所示。該不對(duì)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(dòng)瞬心的曲線樣貌，通過(guò)調(diào)整這些設(shè)計(jì)參數(shù)擬合人體膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，即可實(shí)現(xiàn)仿人的膝關(guān)節(jié)多中心轉(zhuǎn)動(dòng)。
 

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

　　馬尾草是一種常見(jiàn)的具有管狀結(jié)構(gòu)的植物，這種植物有些可以長(zhǎng)到5米高，但是只有2厘米粗，如圖4所示，通過(guò)對(duì)其莖的截?cái)嗝孢M(jìn)行觀察，可以看到一個(gè)由薄的外環(huán)強(qiáng)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(shí)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(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，在髓腔生長(zhǎng)過(guò)程中，管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上會(huì)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(huì)進(jìn)一步凹陷，擠壓局部細(xì)胞，使細(xì)胞內(nèi)壓進(jìn)一步上升，從而提高局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由此，本研究總結(jié)出馬尾草抗彎折的兩大關(guān)鍵機(jī)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(jī)制，提高軟體結(jié)構(gòu)的承重能力，本研究設(shè)計(jì)了背面折紙結(jié)構(gòu)，與正面折紙結(jié)構(gòu)共同組成一個(gè)軟體氣動(dòng)腔體，利用氣腔氣壓模擬馬尾草的細(xì)胞液壓。通過(guò)調(diào)整正面和背面的折痕相對(duì)于壓力方向的夾角，使正面折紙結(jié)構(gòu)在承受壓力時(shí)相對(duì)剛度更大，來(lái)模仿馬尾草中外環(huán)強(qiáng)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(guò)對(duì)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(duì)不同程度的壓力。進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)背面結(jié)構(gòu)的折痕設(shè)計(jì)，結(jié)合正面折紙結(jié)構(gòu)變形時(shí)兩側(cè)張開(kāi)、上下壓縮的同步運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使背面折紙結(jié)構(gòu)在順應(yīng)正面結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生由外凸向內(nèi)凹的運(yùn)動(dòng)變化，從而進(jìn)一步壓縮氣腔體積，模仿馬尾草髓腔褶皺受壓內(nèi)凹的機(jī)制，進(jìn)一步增強(qiáng)軟體假肢的抗壓能力。
 

圖4 仿馬尾草抗彎折機(jī)制的軟體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 

　　本研究通過(guò)對(duì)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(guò)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(yùn)動(dòng)精度。
 

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，本研究先后對(duì)軟體膝關(guān)節(jié)假肢的氣動(dòng)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(jìn)行了測(cè)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(dòng)中心運(yùn)動(dòng)，軟體膝關(guān)節(jié)假肢可以在氣壓驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行較為精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)與理論計(jì)算接近，驅(qū)動(dòng)帶寬滿足殘疾人快速行走的要求。軟體假肢面對(duì)不同方向的外部沖擊，都比剛性假肢具有更強(qiáng)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(guò)75kg的重量(其自重的250倍)，并能主動(dòng)輸出超過(guò)25Nm的伸膝力矩。
 

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

　　此外，本研究邀請(qǐng)三名殘疾人被試參加一系列行走實(shí)驗(yàn)，如1m/s和1.25m/s跑步機(jī)行走，上、下15cm臺(tái)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(jī)上以1m/s和1.25m/s的速度行走的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)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(duì)地面沖擊力和振幅的的吸收，并進(jìn)行了步態(tài)對(duì)稱性分析。結(jié)果表明，盡管殘疾人對(duì)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(duì)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(shí)的舒適度更高。
 

圖6 殘疾人跑步機(jī)行走實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

　　在多地形行走實(shí)驗(yàn)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(yàn)證軟體假肢的多功能性。如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟體膝關(guān)節(jié)假肢可以支持殘疾人進(jìn)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(shí)別殘疾人的運(yùn)動(dòng)意圖并提供充分的運(yùn)動(dòng)范圍和力。
 

圖7 殘疾人多地形行走實(shí)驗(yàn)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(jì)提供了全新的思路。假肢設(shè)計(jì)者和研究人員們可以不受傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的限制，采用全新的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)假肢。適用于軟體下肢假肢應(yīng)用場(chǎng)景的新材料、新驅(qū)動(dòng)、新傳感的開(kāi)發(fā)也將為軟體機(jī)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(diǎn)，快速且低成本的制造會(huì)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(shí)現(xiàn)將會(huì)開(kāi)啟一個(gè)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(qiáng)教授、北京大學(xué)工學(xué)院阮樂(lè)成博士。相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。