一次充电，15460步！新型仿生腿让截肢者轻松行走，轻巧、有力、还能自发电
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更甚者，这些不幸还可能导致数百万、甚至更多人失去维持活动能力的肢体，无法在物质充裕的世界得到精神上的满足。
如今，一种新型仿生腿（动力假腿）有望大大增加截肢患者的行动能力。
来自犹他大学的研究团队为截肢患者开发了一种具有膝盖、脚踝和脚趾关节生物力学的仿生腿。该仿生腿不仅重量轻，而且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。
而且，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。
相关研究论文以“A lightweight robotic leg prosthesis replicating the biomechanics of the knee, ankle, and toe joint”为题，以封面文章的形式发表在科学期刊 Science Robotics 上。犹他大学机械工程系助理教授 Tommaso Lenzi 为该论文的通讯作者。
（来源：Science Robotics）
然而，在以往的研究中，大多数膝上截肢患者使用的假肢都是由微处理器控制的被动装置，不能很好地复制缺失生物腿的关键生物力学功能，比如主动产生动作或向步态周期内注入能量等。
另外，生物力学模拟和非计算机个体实验表明，腿部踝关节在行走过程中可以提供相当大的净正能量。如果踝关节受损或缺失，截至患者必须通过增加残肢和完整肢体的力量，来补偿缺失的踝关节能量，从而形成不自然、不对称、甚至无效的步态模式。
因此，对于截肢患者而言，穿戴普通假肢行走是比较吃力的，在爬楼梯、爬斜坡、站起来、坐下等方面也更具挑战性。
（来源：Pixabay）
在之前的研究中，Lenzi 团队曾开发了一套轻型动力外骨骼，该设备使用电机、微处理器和先进算法帮助下肢截肢者行走，就像电动自行车帮助骑手踩着踏板上坡一样。（点击查看详情 ）
在此次研究中，Lenzi 团队更进一步，在矢状面上复制了生物学膝盖、脚踝和脚趾的关键生物力学功能，在重量、尺寸和电池寿命方面也达到了传统微处理器控制假肢的水准。
图｜三个膝上截肢患者在跑步机上和楼梯上走动。（来源：该论文）
图｜膝盖模型中的主要电气和机械部件。（来源：该论文）
图｜脚踝模型中的主要电气和机械部件。（来源：该论文）
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。
图｜仿生腿实图，以及仿生腿模型中的主要电气和机械部件。（来源：该论文）
因此，研究团队认为，具有这些特点的仿生腿有潜力改善膝上截肢患者的实际行动能力，包括老年人和血管紊乱的参与者等，他们缺乏使用重型动力设备所需的力量和平衡能力。
例如，该仿生腿不能单独控制脚踝和脚趾关节，脚踝和脚趾扭矩之间的比例是固定的，不能根据用户的需要或偏好进行更改。
仿真结果表明，弹性更强的弹簧可以提高动态性能和电气效率，但更长的弹簧也意味着踝关节和脚趾关节的活动范围的减少。
另外，类似于大多数微处理器控制和动力踝关节/假肢，该仿生腿设计没有正面平面驱动。尽管增加正面平面驱动可能会增加假体的尺寸和重量，但也可能改善临床结果，特别是当走在斜坡和崎岖的地形上时，还需要进更多的试验来做进一步验证。
或许，要满足每个人都能定制使用的需求，还有一段路要走。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996
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