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　　北(bei)京(jing)大(da)學(xue)工(gong)(gong)學(xue)院先進制造與(yu)機(ji)器人系王啟(qi)寧(ning)教授(shou)課題組在智能動力下肢(zhi)(zhi)假肢(zhi)(zhi)方(fang)面取得(de)重要(yao)突破，提(ti)出一(yi)種受馬(ma)尾草啟(qi)發的折紙(zhi)軟體(ti)動力膝關(guan)節(jie)假肢(zhi)(zhi)，這是國際(ji)首款軟體(ti)膝關(guan)節(jie)假肢(zhi)(zhi)。研究為下肢(zhi)(zhi)假肢(zhi)(zhi)的設計提(ti)供(gong)了全新的思路，研究成果以“Bioinspired Origami-based Soft Prosthetic Knee”為題，于近日發表(biao)在國際(ji)重要(yao)期刊Nature Communications上。該(gai)論文的第一(yi)作者為北(bei)京(jing)大(da)學(xue)工(gong)(gong)學(xue)院博士(shi)生高思源(yuan)，王啟(qi)寧(ning)教授(shou)為唯一(yi)通訊作者。

　　膝(xi)關節(jie)(jie)(jie)假肢(zhi)(zhi)設(she)計(ji)的(de)(de)(de)(de)主要(yao)目標是既滿(man)足(zu)殘疾人(ren)(ren)日常基本的(de)(de)(de)(de)行(xing)動功能(neng)(neng)需求(qiu)，如在平地、崎嶇路面、樓梯、斜坡上行(xing)走(zou)等(deng)(deng)功能(neng)(neng)，又保證用戶(hu)穿(chuan)戴(dai)的(de)(de)(de)(de)舒(shu)適(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)，具備如輕(qing)便(bian)、仿生(sheng)、減(jian)震(zhen)、以(yi)及(ji)定制化(hua)等(deng)(deng)特性(xing)(xing)(xing)。目前，膝(xi)關節(jie)(jie)(jie)假肢(zhi)(zhi)都是剛(gang)性(xing)(xing)(xing)假肢(zhi)(zhi)，采用高密度(du)的(de)(de)(de)(de)金屬材料制成，且各部(bu)分(fen)功能(neng)(neng)機(ji)(ji)構(gou)相對獨立(li)，在提高功能(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)同時會增大系統體(ti)積、重量(liang)，且剛(gang)性(xing)(xing)(xing)框(kuang)架(jia)的(de)(de)(de)(de)緩(huan)沖性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)也十分(fen)有限(xian)，很難兼顧功能(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)和(he)舒(shu)適(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)。近年(nian)來，軟(ruan)體(ti)材料的(de)(de)(de)(de)高度(du)發展有望為(wei)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)領域提供創新的(de)(de)(de)(de)解決方案和(he)功能(neng)(neng)上的(de)(de)(de)(de)增強。其(qi)固(gu)有的(de)(de)(de)(de)低密度(du)、柔順(shun)(shun)性(xing)(xing)(xing)、緩(huan)沖性(xing)(xing)(xing)和(he)便(bian)于3D 打印的(de)(de)(de)(de)特性(xing)(xing)(xing)使軟(ruan)體(ti)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)具備輕(qing)便(bian)、柔順(shun)(shun)、減(jian)震(zhen)、便(bian)于制造等(deng)(deng)特點，這十分(fen)契合膝(xi)關節(jie)(jie)(jie)假肢(zhi)(zhi)對于穿(chuan)戴(dai)舒(shu)適(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)。然而，軟(ruan)體(ti)材料的(de)(de)(de)(de)高柔順(shun)(shun)性(xing)(xing)(xing)也導致其(qi)結構(gou)在運動和(he)承(cheng)重時會產生(sheng)無法避免的(de)(de)(de)(de)非必要(yao)形(xing)變(bian)，這一方面不利于建模計(ji)算(suan)和(he)運動控(kong)制，另一方面導致結構(gou)難以(yi)承(cheng)受(shou)人(ren)(ren)體(ti)重量(liang)，阻礙了軟(ruan)體(ti)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)在膝(xi)關節(jie)(jie)(jie)假肢(zhi)(zhi)上的(de)(de)(de)(de)應(ying)用。

首次提出基于折紙的仿生軟體膝關節假肢

　　本(ben)研(yan)究首次(ci)提出了(le)基于(yu)折紙(zhi)(zhi)的仿生軟體膝(xi)關(guan)(guan)節(jie)(jie)假(jia)肢(zhi)(zhi)，如圖1所示，假(jia)肢(zhi)(zhi)包含了(le)折紙(zhi)(zhi)結構(gou)、表面加固(gu)塊、大腿、小(xiao)腿連接(jie)模塊。所提出軟體假(jia)肢(zhi)(zhi)主體由(you)熱塑性聚氨酯3D打印制成(cheng)，膝(xi)關(guan)(guan)節(jie)(jie)單元重量僅有300g，假(jia)肢(zhi)(zhi)高(gao)度僅為15cm。折紙(zhi)(zhi)結構(gou)由(you)正面折紙(zhi)(zhi)結構(gou)和背面折紙(zhi)(zhi)結構(gou)組合而成(cheng)。利用(yong)折紙(zhi)(zhi)結構(gou)的大范(fan)圍(wei)折展特性，可以滿足膝(xi)關(guan)(guan)節(jie)(jie)大范(fan)圍(wei)運動的要求。

圖(tu)1. 折(zhe)紙軟體膝關節(jie)總覽

仿生多中心折紙膝關節設計

　　本(ben)研究提出一種(zhong)具有(you)變轉動(dong)中心(xin)性質的(de)折紙(zhi)結(jie)構，如(ru)圖(tu)2所示，其中虛線為(wei)谷線，實線為(wei)山(shan)(shan)線，紅色虛線為(wei)輔助線。沿山(shan)(shan)線和谷線折疊，并(bing)使A1B 和A2B、D1C 和D2C 分別重(zhong)合(he)，即可形成如(ru)圖(tu)2(b)所示的(de)3D 折紙(zhi)結(jie)構。

圖(tu)2. 正面折(zhe)紙結構(gou)折(zhe)痕設計圖(tu)

　　其中(zhong)，AB和(he)(he)CD分別定義為大腿桿和(he)(he)小腿桿，L1、L2、α1、α2、β 均(jun)為折(zhe)痕(hen)設(she)計(ji)參(can)數(shu)，通(tong)過改變這(zhe)幾個參(can)數(shu)，可以(yi)調(diao)整折(zhe)紙構(gou)型(xing)以(yi)及(ji)結構(gou)上、下部分的不對稱(cheng)度(du)，如圖3所示。該不對稱(cheng)度(du)影響著折(zhe)紙膝(xi)(xi)關(guan)(guan)(guan)(guan)節的屈(qu)膝(xi)(xi)角度(du)變化、最大屈(qu)膝(xi)(xi)角度(du)、以(yi)及(ji)膝(xi)(xi)關(guan)(guan)(guan)(guan)節轉(zhuan)動(dong)(dong)瞬心(xin)的曲線樣(yang)貌，通(tong)過調(diao)整這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)參(can)數(shu)擬(ni)合人(ren)體膝(xi)(xi)關(guan)(guan)(guan)(guan)節轉(zhuan)動(dong)(dong)中(zhong)心(xin)，即(ji)可實(shi)現仿(fang)人(ren)的膝(xi)(xi)關(guan)(guan)(guan)(guan)節多中(zhong)心(xin)轉(zhuan)動(dong)(dong)。

圖3. ABE12及(ji)DCE12在3D折(zhe)紙結(jie)構折(zhe)展過程中的變化與α1、α2、β 的關系(xi)

仿馬尾草抗彎折機制的軟體結構設計

　　馬(ma)尾草(cao)是一(yi)種常(chang)見的具有(you)管狀結(jie)(jie)(jie)構的植(zhi)物，這種植(zhi)物有(you)些可(ke)以長到5米高(gao)，但(dan)是只有(you)2厘米粗，如圖4所示，通過(guo)對其莖(jing)的截斷面進(jin)行觀察，可(ke)以看到一(yi)個由薄的外環強化(hua)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)和更厚的內(nei)環軟組(zu)(zu)(zu)織(zhi)組(zu)(zu)(zu)成的結(jie)(jie)(jie)構，在(zai)馬(ma)尾草(cao)被彎折(zhe)(zhe)的時候，外環形(xing)成的管狀結(jie)(jie)(jie)構受(shou)擠壓(ya)，使得內(nei)部(bu)軟組(zu)(zu)(zu)織(zhi)細(xi)胞(bao)內(nei)壓(ya)上升，從而(er)提高(gao)結(jie)(jie)(jie)構剛度抵(di)抗彎折(zhe)(zhe)。進(jin)一(yi)步觀察可(ke)以發現，在(zai)髓腔生長過(guo)程中，管狀結(jie)(jie)(jie)構內(nei)壁上會形(xing)成褶皺結(jie)(jie)(jie)構，在(zai)結(jie)(jie)(jie)構應力最集中的部(bu)位，褶皺處會進(jin)一(yi)步凹陷，擠壓(ya)局部(bu)細(xi)胞(bao)，使細(xi)胞(bao)內(nei)壓(ya)進(jin)一(yi)步上升，從而(er)提高(gao)局部(bu)結(jie)(jie)(jie)構強度。由此，本研究總(zong)結(jie)(jie)(jie)出(chu)馬(ma)尾草(cao)抗彎折(zhe)(zhe)的兩(liang)大關鍵機制(zhi)，即流體壓(ya)制(zhi)穩定和受(shou)壓(ya)內(nei)凹結(jie)(jie)(jie)構。

　　為了模(mo)仿馬尾(wei)草(cao)抗彎折的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)制(zhi)，提高軟(ruan)體(ti)(ti)(ti)結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)承(cheng)重(zhong)能力(li)，本研(yan)究設(she)計(ji)(ji)了背(bei)面(mian)折紙(zhi)(zhi)(zhi)結(jie)(jie)構，與正(zheng)面(mian)折紙(zhi)(zhi)(zhi)結(jie)(jie)構共同組(zu)成一(yi)(yi)個(ge)軟(ruan)體(ti)(ti)(ti)氣(qi)(qi)(qi)(qi)動腔(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)體(ti)(ti)(ti)，利用氣(qi)(qi)(qi)(qi)腔(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)模(mo)擬馬尾(wei)草(cao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)胞液壓(ya)(ya)。通過(guo)(guo)調(diao)整(zheng)(zheng)(zheng)正(zheng)面(mian)和背(bei)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)折痕相對(dui)于壓(ya)(ya)力(li)方向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)夾角，使正(zheng)面(mian)折紙(zhi)(zhi)(zhi)結(jie)(jie)構在承(cheng)受壓(ya)(ya)力(li)時(shi)相對(dui)剛度(du)更大，來模(mo)仿馬尾(wei)草(cao)中(zhong)外環強化(hua)組(zu)織的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用。隨著(zhu)氣(qi)(qi)(qi)(qi)腔(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)內氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)上升，軟(ruan)體(ti)(ti)(ti)折紙(zhi)(zhi)(zhi)結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)整(zheng)(zheng)(zheng)體(ti)(ti)(ti)剛度(du)提升，從(cong)而(er)抵抗外部壓(ya)(ya)力(li)，維(wei)持結(jie)(jie)構穩定。通過(guo)(guo)對(dui)氣(qi)(qi)(qi)(qi)腔(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)預充氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)，我們可以調(diao)整(zheng)(zheng)(zheng)軟(ruan)體(ti)(ti)(ti)膝(xi)關節(jie)結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)剛度(du)，以應對(dui)不(bu)同程(cheng)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)。進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)(bu)地，通過(guo)(guo)對(dui)背(bei)面(mian)結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)折痕設(she)計(ji)(ji)，結(jie)(jie)合正(zheng)面(mian)折紙(zhi)(zhi)(zhi)結(jie)(jie)構變形時(shi)兩(liang)側張(zhang)開、上下壓(ya)(ya)縮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)同步(bu)(bu)運(yun)動特(te)點，使背(bei)面(mian)折紙(zhi)(zhi)(zhi)結(jie)(jie)構在順(shun)應正(zheng)面(mian)結(jie)(jie)構運(yun)動的(de)(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi)產(chan)生由(you)外凸向(xiang)內凹的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動變化(hua)，從(cong)而(er)進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)(bu)壓(ya)(ya)縮氣(qi)(qi)(qi)(qi)腔(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)體(ti)(ti)(ti)積，模(mo)仿馬尾(wei)草(cao)髓腔(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)褶皺受壓(ya)(ya)內凹的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)制(zhi)，進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)(bu)增強軟(ruan)體(ti)(ti)(ti)假肢的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗壓(ya)(ya)能力(li)。

圖(tu)4. 仿(fang)馬(ma)尾草抗(kang)彎折機制的軟體結構設計

　　本研究采用通過對(dui)折(zhe)(zhe)紙結(jie)構折(zhe)(zhe)面(mian)部(bu)(bu)分(fen)的(de)加固(gu)，可(ke)以有效約束折(zhe)(zhe)面(mian)的(de)非必要形變(bian)，從而將形變(bian)誤差(cha)限制在折(zhe)(zhe)痕部(bu)(bu)分(fen)，由于(yu)折(zhe)(zhe)痕只占折(zhe)(zhe)紙結(jie)構很小的(de)一部(bu)(bu)分(fen)，因(yin)此通過加固(gu)折(zhe)(zhe)面(mian)可(ke)以有效降低(di)結(jie)構整體的(de)非必要形變(bian)量，提高運動精度。

軟體膝關節假肢測試

　　通(tong)過(guo)(guo)實驗(yan)臺實驗(yan)，本(ben)研究先后對(dui)(dui)軟(ruan)體(ti)膝(xi)關(guan)節假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)的(de)(de)氣動(dong)(dong)控制、瞬心軌跡擬合程度、多維沖擊吸收、承載能力、力矩輸出(chu)能力進(jin)行了測試。如圖5所(suo)示，結果(guo)表明(ming)，折紙結構可以模仿人(ren)體(ti)膝(xi)關(guan)節變轉動(dong)(dong)中心運動(dong)(dong)，軟(ruan)體(ti)膝(xi)關(guan)節假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)可以在氣壓驅(qu)動(dong)(dong)下進(jin)行較(jiao)為精準(zhun)的(de)(de)運動(dong)(dong)，實際運動(dong)(dong)與理論(lun)計(ji)算接(jie)近，驅(qu)動(dong)(dong)帶寬滿足殘疾(ji)人(ren)快速行走的(de)(de)要求。軟(ruan)體(ti)假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)面對(dui)(dui)不(bu)同(tong)方向(xiang)的(de)(de)外部沖擊，都比剛性假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)具有更強的(de)(de)緩沖能力(可多吸收11.5%至17.3%的(de)(de)沖擊力)。所(suo)提出(chu)的(de)(de)軟(ruan)體(ti)膝(xi)關(guan)節假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)可以在較(jiao)低(di)的(de)(de)預(yu)充氣壓下承載超(chao)過(guo)(guo)75kg的(de)(de)重量(其自重的(de)(de)250倍)，并能主動(dong)(dong)輸出(chu)超(chao)過(guo)(guo)25Nm的(de)(de)伸膝(xi)力矩。

圖5. 實驗(yan)臺(tai)實驗(yan)結果

　　此外(wai)，本研究邀(yao)請(qing)三名(ming)殘(can)疾人(ren)被試參加一系列行走實(shi)驗(yan)(yan)(yan)，如1 m/s和(he)1.25 m/s跑(pao)步(bu)(bu)機行走、上(shang)、下15 cm臺階、上(shang)、下10°斜坡、跨越障礙等。圖6展示的(de)(de)(de)(de)是(shi)殘(can)疾人(ren)分別穿戴(dai)軟體(ti)假肢(zhi)和(he)日常使用的(de)(de)(de)(de)剛(gang)性假肢(zhi)在跑(pao)步(bu)(bu)機上(shang)以1 m/s和(he)1.25 m/s的(de)(de)(de)(de)速(su)(su)度行走的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果(guo)，實(shi)驗(yan)(yan)(yan)采集(ji)了(le)殘(can)疾人(ren)殘(can)側和(he)健側的(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)節角度、肌肉激活程度、足底壓(ya)力(li)(li)、假肢(zhi)對地面沖擊力(li)(li)和(he)振(zhen)幅的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)吸收，并進行了(le)步(bu)(bu)態對稱(cheng)性分析。結果(guo)表明，盡管殘(can)疾人(ren)對軟體(ti)假肢(zhi)不熟(shu)悉，仍可以穿戴(dai)軟體(ti)膝關(guan)(guan)節假肢(zhi)以正常步(bu)(bu)速(su)(su)和(he)較快步(bu)(bu)速(su)(su)進行行走，并具有更(geng)(geng)好(hao)的(de)(de)(de)(de)步(bu)(bu)態對稱(cheng)性，殘(can)疾人(ren)不僅(jin)更(geng)(geng)省力(li)(li)，受到的(de)(de)(de)(de)沖擊也(ye)更(geng)(geng)小，主觀上(shang)也(ye)認為(wei)行走時的(de)(de)(de)(de)舒(shu)適度更(geng)(geng)高。

圖6. 殘疾人跑步機行(xing)走實(shi)驗結果(guo)

　　在多地(di)形行走實驗中，本(ben)研究主要(yao)采集了殘疾(ji)(ji)人的關(guan)節角度變化數(shu)據(ju)，旨在驗證(zheng)軟體(ti)假肢(zhi)的多功能(neng)性。如(ru)圖7所(suo)示，實驗結果表(biao)明，軟體(ti)膝關(guan)節假肢(zhi)可以(yi)支持殘疾(ji)(ji)人進(jin)行交(jiao)替腿上、下樓(lou)梯/斜坡，并(bing)能(neng)夠連續跨越障(zhang)礙物，假肢(zhi)可以(yi)識別殘疾(ji)(ji)人的運動(dong)意圖并(bing)提供充分(fen)的運動(dong)范圍和(he)力。

圖7. 殘疾人多地形(xing)行走實(shi)驗(yan)結果

　　本研(yan)究(jiu)提出了首(shou)款軟(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)膝(xi)關(guan)節假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，為下(xia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)設(she)計(ji)提供(gong)了全(quan)(quan)新(xin)(xin)(xin)的(de)思(si)路。假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)設(she)計(ji)者和(he)研(yan)究(jiu)人(ren)(ren)員(yuan)們可(ke)以不受傳統(tong)機械設(she)計(ji)的(de)限制，采用全(quan)(quan)新(xin)(xin)(xin)的(de)設(she)計(ji)方法設(she)計(ji)假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。適(shi)用于軟(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)下(xia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)應用場景的(de)新(xin)(xin)(xin)材料、新(xin)(xin)(xin)驅(qu)動、新(xin)(xin)(xin)傳感的(de)開發(fa)也(ye)將(jiang)為軟(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)機器人(ren)(ren)的(de)發(fa)展注入(ru)新(xin)(xin)(xin)鮮(xian)血(xue)液。基于3D打印等新(xin)(xin)(xin)制造(zao)方法的(de)定制化下(xia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)制造(zao)也(ye)將(jiang)成(cheng)為研(yan)究(jiu)熱點，快(kuai)速且(qie)低(di)(di)成(cheng)本的(de)制造(zao)會(hui)加快(kuai)技術迭代(dai)并降低(di)(di)研(yan)發(fa)門(men)檻。研(yan)究(jiu)人(ren)(ren)員(yuan)們相信，軟(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)膝(xi)關(guan)節假(jia)肢(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)實現將(jiang)會(hui)開啟一個全(quan)(quan)新(xin)(xin)(xin)的(de)交(jiao)叉研(yan)究(jiu)領域。

　　該論文的第一作(zuo)者為(wei)北京大(da)學(xue)工(gong)學(xue)院(yuan)(yuan)博(bo)(bo)士(shi)生高思源，北京大(da)學(xue)工(gong)學(xue)院(yuan)(yuan)王啟(qi)寧教(jiao)授為(wei)唯一通訊作(zuo)者。合作(zuo)者包(bao)括康復大(da)學(xue)楊承旭博(bo)(bo)士(shi)、北京大(da)學(xue)工(gong)學(xue)院(yuan)(yuan)碩(shuo)士(shi)生陳鴻汀、北京大(da)學(xue)生命(ming)科學(xue)學(xue)院(yuan)(yuan)賀(he)新強教(jiao)授、北京大(da)學(xue)工(gong)學(xue)院(yuan)(yuan)阮樂(le)成(cheng)博(bo)(bo)士(shi)。相關(guan)研究得到了國(guo)家自然(ran)科學(xue)基金委的資助。