人工膝關(guān)節(jié)代表了膝上截肢康復(fù)的普遍解決方案。然而，要滿足用戶的步行需求，并實(shí)現(xiàn)輕量化、仿生、減震、以用戶為中心的舒適需求，仍然很困難。

軟材料似乎提供了替代方案，因?yàn)樗鼈兊奶匦杂欣谑孢m度。但是，在形態(tài)計(jì)算和承重性能方面，顯著的靈活性限制了軟機(jī)器人在假肢膝蓋上的應(yīng)用。

2024年12月30日，北京大學(xué)王啟寧教授在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Bioinspired origami-based soft prosthetic knees》的研究論文，博士生高思源為論文第一作者，王啟寧教授為論文通訊作者。

王啟寧，北京大學(xué)工學(xué)院教授、副院長，國家“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2020），科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2019），國家優(yōu)青（2019）。2004年本科畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2009年獲北京大學(xué)博士學(xué)位，同年留校工作，2021年晉升為長聘教授。

王啟寧教授的研究領(lǐng)域包括機(jī)器人動力學(xué)與控制，智能人機(jī)交互，神經(jīng)接口與康復(fù)工程，力觸覺感知，醫(yī)療機(jī)器人及可穿戴系統(tǒng)應(yīng)用。

在這里，作者為經(jīng)股截肢者創(chuàng)新了一種軟質(zhì)假肢膝關(guān)節(jié)，通過折紙技術(shù)和仿生承重原理的結(jié)合來解決當(dāng)前的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)其輕質(zhì)、緊湊、低成本和簡單的制備。

測試發(fā)現(xiàn)，軟膝可以承受一個人的重量（超過75公斤），并執(zhí)行仿生多中心屈曲，吸收行走過程中的沖擊力（吸收的沖擊力比之前多11.5％至17.3％），主動支撐截肢者走過坡道、樓梯和地面障礙物。作者所提出設(shè)計(jì)的有效性已通過臺式和移動實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。

該方案可能會實(shí)現(xiàn)下肢假肢設(shè)計(jì)的范式轉(zhuǎn)變。

圖1：基于折紙技術(shù)的軟性假膝

圖2：受馬尾啟發(fā)的穩(wěn)定軟結(jié)構(gòu)

圖3：軟膝的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)臺架實(shí)驗(yàn)性能

圖4：使用軟膝和日常使用的剛性膝在跑步機(jī)上行走的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5：使用軟性假膝進(jìn)行不同步行任務(wù)

綜上，作者介紹了一種基于折紙技術(shù)和仿生承重原理設(shè)計(jì)的軟性人工膝關(guān)節(jié)，用于膝上截肢者的康復(fù)，實(shí)現(xiàn)了輕量化、緊湊、低成本和簡單制造，能夠承受超過75公斤的重量，模擬生物膝關(guān)節(jié)的多中心彎曲，并在行走中吸收沖擊，支持截肢者跨越坡道、樓梯和障礙物。

這項(xiàng)研究提供了一種新型的軟性膝關(guān)節(jié)解決方案，具有潛在的顛覆性意義，可能引領(lǐng)下肢假肢設(shè)計(jì)的新范式，對于提高截肢者的生活質(zhì)量和自理能力具有重要應(yīng)用前景。

Gao, S., Yang, C., Chen, H.?et al.?Bioinspired origami-based soft prosthetic knees.?Nat. Commun., (2024).