低成本的假肢模仿自然行走

假肢技術(shù)突飛猛進，為截肢者提供了一系列仿生選擇，包括由微芯片控制的人造膝蓋，由人工智能驅(qū)動的充滿傳感器的腳，以及用戶可以用大腦操作的機器人手。但這樣的高科技設(shè)計可能要花費數(shù)萬美元，這讓很多截肢者無法實現(xiàn)，尤其是在發(fā)展中國家。

現(xiàn)在，麻省理工學院的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種簡單、低成本、被動的假肢腳，他們可以為個人量身定做?？紤]到用戶的體重和尺寸，研究人員可以調(diào)整假肢的形狀和硬度，使用戶的行走類似于健全的步態(tài)。他們估計，如果大規(guī)模生產(chǎn)，其成本可能比現(xiàn)有產(chǎn)品低一個數(shù)量級。

這些定制設(shè)計的假肢是基于研究人員開發(fā)的設(shè)計框架，該框架提供了一種定量的方法來預測用戶的生物力學性能，或步行行為，基于假肢腳的機械設(shè)計。

“(步行)是我們?nèi)祟惾绱撕诵牡臇|西,對于這部分人群有下肢截肢,只是沒有理論對我們說,“這正是我們應(yīng)該設(shè)計的剛度和幾何腳為你,為了讓你走路的欲望,”“阿莫斯說冬天,麻省理工學院的機械工程的副教授?！艾F(xiàn)在我們可以做到。這是非常強大的?！?/p>

溫特和他的前研究生Kathryn Olesnavage在IEEE的《神經(jīng)系統(tǒng)和康復學報》上報告了這個框架的細節(jié)。他們與研究生維克多·普羅斯特和研究工程師威廉·布雷特·約翰遜一起，在美國機械工程師學會的機械設(shè)計雜志上發(fā)表了他們關(guān)于新型假肢的研究結(jié)果。

2012年，在溫特加入麻省理工學院不久之后，印度齋浦爾的義肢制造商齋浦爾足(Jaipur Foot)找到了他。該組織為發(fā)展中國家的截肢者制造被動假肢，每年向印度和其他地方的用戶捐贈2.8萬多個模型。

溫特說:“他們制作這種腳已經(jīng)超過40年了，而且它很粗糙，所以農(nóng)民可以赤腳在戶外使用，而且它和生活很像，所以如果人們?nèi)?，想赤腳祈禱，他們很可能不會被污名化?！薄暗苤?，內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是手工制作的，這造成了產(chǎn)品質(zhì)量的巨大差異?！?/p>

該組織詢問溫特是否可以設(shè)計出更好、更輕的腳，以低成本批量生產(chǎn)。

“那時，我們開始問自己，‘作為工程師，我們應(yīng)該如何設(shè)計這只腳?’”我們應(yīng)該如何預測性能，考慮到腳的剛度和機械設(shè)計和幾何形狀?我們該如何調(diào)整這一切，才能讓一個人按照我們希望的方式走路呢?“冬天回憶說。

由Olesnavage領(lǐng)導的研究小組首先尋找了一種方法，可以定量地將假肢的機械特性與使用者的行走性能聯(lián)系起來——這是一種以前從未完全確定的基本關(guān)系。

雖然很多假肢的研發(fā)人員專注于復制健全的腳和腳踝的動作，溫特的團隊卻采取了不同的方法，因為他們意識到，膝蓋以下失去肢體的截肢者無法感受假肢腳的功能。

溫特說:“我們的一個重要發(fā)現(xiàn)是，對使用者來說，腳就像一個黑匣子——它與他們的神經(jīng)系統(tǒng)沒有聯(lián)系，他們與腳也沒有親密的互動?！?/p>

他和Olesnavage沒有設(shè)計一個假腳來模仿健全的腳的動作，而是設(shè)計了一個假腳來模仿健全的人走路時的下肢動作。

“這真的為我們打開了設(shè)計空間，”溫特說?！拔覀兛梢詮氐赘淖兡_，只要我們讓小腿做我們想做的，在運動學和負重方面，因為這是用戶感知到的。”

在考慮了小腿的情況下，研究小組試圖找到一種方法來解釋當腳與地面接觸時，小腿是如何運動的。為了做到這一點，研究人員參考了一個現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括一個身體健全的步行者在給定體型和體重的情況下所采取的步數(shù)。之前的研究人員已經(jīng)記錄下了步行者從腳跟到腳趾搖擺時的地面反作用力和壓力中心的變化，以及小腿的位置和運動軌跡。

溫特和他的同事們開發(fā)了一個簡單的、被動的假肢腳的數(shù)學模型，它描述了腳的硬度、可能的運動和形狀。他們將數(shù)據(jù)集中的地面反作用力輸入到模型中，并將其匯總，以預測用戶的小腿如何通過一步完成移動。

通過他們的模型，他們調(diào)整了模擬假肢腳的硬度和幾何形狀，以產(chǎn)生一個與健全身體的擺動接近的小腿軌跡——他們認為這是一個最小的“小腿軌跡誤差”。

溫特說:“理想情況下，我們會完美地調(diào)整腳部的硬度和幾何形狀，這樣我們就能精確地模仿小腿的運動。”“總的來說，我們發(fā)現(xiàn)我們可以用被動結(jié)構(gòu)，非常接近于肢體運動和負重?！?/p>

在曲線上演進

隨后，研究小組試圖確定出一種理想的單腳假肢形狀，這種假肢既簡單，制造成本也不高，同時還能產(chǎn)生與健全行走者非常相似的腿部軌跡。

為了確定理想的足部形狀，研究小組使用了一種“遺傳算法”——一種常用的技術(shù)，用來剔除不理想的選擇，尋找最優(yōu)的設(shè)計。

溫特說:“就像一個動物種群一樣，我們創(chuàng)造了一個腳種群，所有的腳都有不同的變量，以形成不同的曲線形狀?！薄拔覀儗⑺麄兯腿肽M系統(tǒng)，并計算了他們小腿的軌跡誤差。那些出錯率高的，我們就把它們殺光了?！?/p>

研究人員進一步將誤差較低的人與其他形狀的人進行混合和匹配，使這些人進化成理想的形狀，使下肢的軌跡誤差最小。該團隊使用一條寬貝塞爾曲線來描述腳的形狀，只用了幾個選擇變量，這在遺傳算法中很容易改變。由此產(chǎn)生的腳的形狀看起來類似于托博干的側(cè)視圖。

Olesnavage和Winter認為，通過將貝塞爾曲線的硬度和形狀調(diào)整到人的體重和尺寸，該團隊應(yīng)該能夠制造出一種假肢，可以產(chǎn)生類似于正常人走路的腿部運動。為了測試這一想法，研究人員為印度的志愿者制作了幾只腳。這些假體是用加工過的尼龍制成的，尼龍是一種用于儲存能量的材料。

溫特說:“最酷的是，它完全不像一只健全的腳——它沒有腳踝或跖骨關(guān)節(jié)——它只是一個大的結(jié)構(gòu)，我們所關(guān)心的只是小腿如何在空間中移動?！薄按蟛糠譁y試是在室內(nèi)進行的，但有一個人跑到外面，他非常喜歡。它讓你的腳步充滿活力。”

展望未來，該團隊已經(jīng)與生產(chǎn)橡膠外底的意大利公司Vibram建立了合作關(guān)系，這種橡膠外底包括可彎曲的登山靴和看起來像腳的跑鞋。該公司正在為團隊的假肢設(shè)計一種逼真的覆蓋物，這種覆蓋物還能讓腳在泥濘或濕滑的表面上獲得一些牽引力。研究人員計劃今年春天在印度的志愿者身上測試假肢和覆蓋物。

溫特說，對于那些想要重返現(xiàn)役的士兵或想要過積極生活的退伍等人群來說，簡單的假肢腳設(shè)計也是一種更經(jīng)濟、更耐用的選擇。

“在美國市場上，一個普通的無源腳需要1000到1萬美元，由碳纖維制成。想象一下，你去找你的修復師，他們做了一些測量，他們把測量結(jié)果寄給我們，我們寄給你一個定制的尼龍腳，只需要幾百美元。這個模型可能會改變整個行業(yè)的游戲規(guī)則，因為我們可以對足部進行全面量化，并針對個人進行調(diào)整，使用更便宜的材料。”