低成本的假肢模仿自然行走

假肢技術(shù)突飛猛進(jìn)，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(dòng)的充滿傳感器的腳，以及用戶可以用大腦操作的機(jī)器人手。但這樣的高科技設(shè)計(jì)可能要花費(fèi)數(shù)萬(wàn)美元，這讓很多截肢者無(wú)法實(shí)現(xiàn)，尤其是在發(fā)展中國(guó)家。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種簡(jiǎn)單、低成本、被動(dòng)的假肢腳，他們可以為個(gè)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(jì)，如果大規(guī)模生產(chǎn)，其成本可能比現(xiàn)有產(chǎn)品低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

這些定制設(shè)計(jì)的假肢是基于研究人員開發(fā)的設(shè)計(jì)框架，該框架提供了一種定量的方法來(lái)預(yù)測(cè)用戶的生物力學(xué)性能，或步行行為，基于假肢腳的機(jī)械設(shè)計(jì)。

“(步行)是我們?nèi)祟惾绱撕诵牡臇|西,對(duì)于這部分人群有下肢截肢,只是沒(méi)有理論對(duì)我們說(shuō),“這正是我們應(yīng)該設(shè)計(jì)的剛度和幾何腳為你,為了讓你走路的欲望,”“阿莫斯說(shuō)冬天,麻省理工學(xué)院的機(jī)械工程的副教授。“現(xiàn)在我們可以做到。這是非常強(qiáng)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(fù)學(xué)報(bào)》上報(bào)告了這個(gè)框架的細(xì)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(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)的機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)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(guó)家的截肢者制造被動(dòng)假肢，每年向印度和其他地方的用戶捐贈(zèng)2.8萬(wàn)多個(gè)模型。

溫特說(shuō):“他們制作這種腳已經(jīng)超過(guò)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)ィ氤嗄_祈禱，他們很可能不會(huì)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(wèn)溫特是否可以設(shè)計(jì)出更好、更輕的腳，以低成本批量生產(chǎn)。

“那時(shí)，我們開始問(wèn)自己，‘作為工程師，我們應(yīng)該如何設(shè)計(jì)這只腳?’”我們應(yīng)該如何預(yù)測(cè)性能，考慮到腳的剛度和機(jī)械設(shè)計(jì)和幾何形狀?我們?cè)撊绾握{(diào)整這一切，才能讓一個(gè)人按照我們希望的方式走路呢?“冬天回憶說(shuō)。

由Olesnavage領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先尋找了一種方法，可以定量地將假肢的機(jī)械特性與使用者的行走性能聯(lián)系起來(lái)——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(fù)制健全的腳和腳踝的動(dòng)作，溫特的團(tuán)隊(duì)卻采取了不同的方法，因?yàn)樗麄円庾R(shí)到，膝蓋以下失去肢體的截肢者無(wú)法感受假肢腳的功能。

溫特說(shuō):“我們的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，腳就像一個(gè)黑匣子——它與他們的神經(jīng)系統(tǒng)沒(méi)有聯(lián)系，他們與腳也沒(méi)有親密的互動(dòng)。”

他和Olesnavage沒(méi)有設(shè)計(jì)一個(gè)假腳來(lái)模仿健全的腳的動(dòng)作，而是設(shè)計(jì)了一個(gè)假腳來(lái)模仿健全的人走路時(shí)的下肢動(dòng)作。

“這真的為我們打開了設(shè)計(jì)空間，”溫特說(shuō)?！拔覀兛梢詮氐赘淖兡_，只要我們讓小腿做我們想做的，在運(yùn)動(dòng)學(xué)和負(fù)重方面，因?yàn)檫@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(lái)解釋當(dāng)腳與地面接觸時(shí)，小腿是如何運(yùn)動(dòng)的。為了做到這一點(diǎn)，研究人員參考了一個(gè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括一個(gè)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(shí)的地面反作用力和壓力中心的變化，以及小腿的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。

溫特和他的同事們開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、被動(dòng)的假肢腳的數(shù)學(xué)模型，它描述了腳的硬度、可能的運(yùn)動(dòng)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(yù)測(cè)用戶的小腿如何通過(guò)一步完成移動(dòng)。

通過(guò)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(gè)與健全身體的擺動(dòng)接近的小腿軌跡——他們認(rèn)為這是一個(gè)最小的“小腿軌跡誤差”。

溫特說(shuō):“理想情況下，我們會(huì)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(yùn)動(dòng)?！薄翱偟膩?lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)我們可以用被動(dòng)結(jié)構(gòu)，非常接近于肢體運(yùn)動(dòng)和負(fù)重?！?/p>

在曲線上演進(jìn)

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(jiǎn)單，制造成本也不高，同時(shí)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(lái)剔除不理想的選擇，尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

溫特說(shuō):“就像一個(gè)動(dòng)物種群一樣，我們創(chuàng)造了一個(gè)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(jì)算了他們小腿的軌跡誤差。那些出錯(cuò)率高的，我們就把它們殺光了?！?/p>

研究人員進(jìn)一步將誤差較低的人與其他形狀的人進(jìn)行混合和匹配，使這些人進(jìn)化成理想的形狀，使下肢的軌跡誤差最小。該團(tuán)隊(duì)使用一條寬貝塞爾曲線來(lái)描述腳的形狀，只用了幾個(gè)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(lái)類似于托博干的側(cè)視圖。

Olesnavage和Winter認(rèn)為，通過(guò)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(tuán)隊(duì)?wèi)?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(yùn)動(dòng)。為了測(cè)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(guò)的尼龍制成的，尼龍是一種用于儲(chǔ)存能量的材料。

溫特說(shuō):“最酷的是，它完全不像一只健全的腳——它沒(méi)有腳踝或跖骨關(guān)節(jié)——它只是一個(gè)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(dòng)?！薄按蟛糠譁y(cè)試是在室內(nèi)進(jìn)行的，但有一個(gè)人跑到外面，他非常喜歡。它讓你的腳步充滿活力。”

展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)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(lái)像腳的跑鞋。該公司正在為團(tuán)隊(duì)的假肢設(shè)計(jì)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(jì)劃今年春天在印度的志愿者身上測(cè)試假肢和覆蓋物。

溫特說(shuō)，對(duì)于那些想要重返現(xiàn)役的士兵或想要過(guò)積極生活的退伍等人群來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的假肢腳設(shè)計(jì)也是一種更經(jīng)濟(jì)、更耐用的選擇。

“在美國(guó)市場(chǎng)上，一個(gè)普通的無(wú)源腳需要1000到1萬(wàn)美元，由碳纖維制成。想象一下，你去找你的修復(fù)師，他們做了一些測(cè)量，他們把測(cè)量結(jié)果寄給我們，我們寄給你一個(gè)定制的尼龍腳，只需要幾百美元。這個(gè)模型可能會(huì)改變整個(gè)行業(yè)的游戲規(guī)則，因?yàn)槲覀兛梢詫?duì)足部進(jìn)行全面量化，并針對(duì)個(gè)人進(jìn)行調(diào)整，使用更便宜的材料。”