磕完“钢腿女孩”的糖，来看登上Science子刊封面的仿生腿，一次充电能走15460步！

Original Robospeak 机器人大讲堂 2023-01-12

收录于合集

“钢腿女孩”和消防小哥的爱情，这波糖你磕了吗？

近日，四川汶川地震幸存女孩牛钰和消防员男友小李的爱情故事上了热搜：牛钰在一次户外拍摄时假肢意外被卡，求助消防后，认识了一位高大帅气、热心善良的消防员，意外地开启了一段甜甜的恋爱。

作为一个抗挫力超强的24岁女孩，她的经历让人赞叹不已：取掉假肢外的海绵去海边散步、爬上4500米的雪山挑战自我、去墨脱支教，把自己的乐观和坚强带给孩子、穿着假肢在时装周走秀……

她每年还会参加汶川马拉松，被称为“汶川最美马拉松女孩”。

如今，越来越多戴上假肢的人不再遮掩身体的“异常”，科技正在帮助他们夺回对生活的掌控权。近日，来自犹他大学的研究团队就展示了一款新型仿生腿（动力假腿），有望大大增加截肢患者的行动能力。这款仿生腿拥有膝盖、脚踝和脚趾关节生物力学，不仅重量轻，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。

不仅如此，据临床前试验表明，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。

该项研究以（A lightweight robotic leg prosthesis replicating the biomechanics of the knee, ankle, and toe joint）为题，荣登科学期刊 Science Robotics杂志的封面。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996

▍叠满三重“BUFF”的仿生腿

对截肢者来说，虽然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也受到了很大的限制。

这款仿生腿集“轻便+灵活+续航能力强悍”三重功能于一体，使用电机、处理器和先进的人工智能进行协同工作，为截肢者提供更大的力量来行走、站立、坐下、上下楼梯和坡道。

是不是很灵活呢？

据研发团队介绍，充满一次电的仿生腿预计可以支持截肢患者行走 15460 步。如果使用者在平地上行走，启动“被动模式”，连电都不用充就能走∞步！

你可能会好奇，这款假肢到底是怎么造的？研发团队主要从腿部的三处重要运动关节入手：膝关节、踝关节、脚趾关节。

正常人在行走过程中，膝关节的扭矩（力和力臂之积）变化范围较大，比如膝关节在伸展时的扭矩可达屈腿时的4倍。相比传统动力假肢搭载的笨重的动力装置和关节扭矩之间的矛盾，研究人员们在膝关节处，设计了一个独特的扭矩敏感驱动器（Torque Sensitive Joint），同时具备了弹性制动器和可变传动装置的优点。

这个驱动器是个被动可变的传动装置，不仅能连续快速地改变扭矩比，而且所需的电机扭矩和电流都相对大幅减少，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。

在使用者的行走过程中，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。

你以为这就完了吗？这款仿生腿还可以做到“步步省电”。

在被动模式下，不仅不用电，还能反向充电：系统可以把机械能转化为电能，平均每走一步就能给电池充电2.0±0.6J。

在这种模式下，膝关节主要表现为阻尼器，踝关节则主要像弹簧一样运动。虽然不如标准模式来的行动自然，但在平地行走也是绰绰有余了。

可千万不要小瞧了它，这可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。

▍仿生不必仿真

到目前为止，已经有三名膝上截肢者试戴了这种炫酷义肢。实验结果表明，尽管使用者们的走路方式各有不同，但都能靠此独立行走，和正常人看起来没有明显的差别。

这款假肢的适用人群非常广泛：身高在160到191cm之间、净体重在59到91公斤的截肢患者都可以正常佩戴。不过，尽管犹他大学的这条仿生腿展现出了优于其他机械假腿的性能，但仍然存在一些改进的空间。

比如佩戴者不能单独控制脚踝和脚趾关节，二者扭矩之间的比例固定，不能根据用户的需要或偏好进行更改。接下来，实验团队将进行更多的实践，特别是走在斜坡和崎岖的地形上时，从而进一步提高假肢的实用效果。

说不定在不就的将来，这款仿生腿就能满足每个使用者定制的需求，有一条酷炫的假肢，似乎失去一条腿也不是那么不幸的事情...