2 月 19 日消息，北京大學今日發文稱，北大工學院王啟寧教授課題組在智能動力下肢假肢領域取得重要進展，提出了一種受馬尾草啟發的折紙軟體動力膝關節假肢。

這一創新假肢是國際首款軟體膝關節假肢，為下肢假肢的設計提供了全新的思路。IT之家查詢發現，相關研究成果已于 2024 年 12 月 30 日發表于《Nature Communications》上。

傳統膝關節假肢多由剛性金屬材料制成，功能模塊獨立，導致假肢體積大、重量重，且舒適性較差。隨著軟體材料技術的發展，越來越多的研究開始探索將軟體材料應用于假肢設計，利用其低密度、柔順性和減震性等優勢。

然而，軟體材料的柔順性使得結構在承重時容易產生不必要的變形，限制了其在膝關節假肢上的應用。為了解決這一問題，王啟寧教授課題組首次提出了基于折紙結構的軟體膝關節假肢設計。該假肢結合了折紙結構與氣動控制技術，能夠在氣壓驅動下實現精準運動，滿足不同地形和功能的需求。假肢的主要組件由熱塑性聚氨酯 3D 打印制成，膝關節單元重量僅為 300g，假肢整體高度為 15cm，具有較強的仿生性和舒適性。

▲ 折紙軟體膝關節總覽

研究團隊在設計中借鑒了馬尾草的結構特性。馬尾草的管狀莖結構能夠通過外環和內環的協同作用有效抗彎折，為軟體假肢提供了啟發。通過模仿馬尾草的受壓內凹結構，課題組在折紙結構中設計了背面折紙和氣動腔體，從而提升了假肢的剛度和承重能力。

通過調整氣腔內的壓力，研究團隊能夠實現假肢剛度的動態調節，模仿馬尾草的細胞液壓機制，以適應不同的外部壓力。此外，折紙結構的加固設計有效限制了非必要的形變，提升了運動精度和舒適度。

▲ 仿馬尾草抗彎折機制的軟體結構設計

通過實驗室測試，研究團隊驗證了軟體膝關節假肢的氣動控制、力矩輸出和承載能力等性能。實驗結果表明，軟體膝關節假肢能夠模擬人體膝關節的轉動中心，具有較強的緩沖能力和精準的運動控制，能夠在較低氣壓下承載超過 75kg 的重量，且主動輸出伸膝力矩超過 25Nm。

在實際行走實驗中，三名殘疾人參與了軟體假肢的試用。結果顯示，受試者能夠以正常步速和較快步速行走，并表現出較好的步態對稱性。軟體假肢不僅提升了殘疾人的行走舒適性，還有效減少了行走中的沖擊力。

▲ 殘疾人多地形行走實驗結果

此外，軟體膝關節假肢在多種地形下表現出優異的適應性，能夠支持殘疾人上下樓梯、斜坡行走及跨越障礙物，證明了其多功能性和實際應用潛力。