2025
科技有愛
共創(chuàng)美好世界
3月29日
由中國殘聯(lián)主辦、北京市殘聯(lián)承辦的
2025中關村論壇年會
科技助殘平行論壇在北京舉行
論壇發(fā)布了15個 2025科技助殘創(chuàng)新案例
今天
讓我們一起來看看
北京大學王啟寧團隊的
“折紙軟體動力膝關節(jié)假肢”
技術名稱：折紙軟體動力膝關節(jié)假肢
技術內容：國際首個軟體膝關節(jié)假肢，采用仿馬尾草抗彎折機制的折紙結構設計，體積重量小，緩沖性強、仿生性強，讓殘疾人行走更舒適省力。
北京大學工學院先進制造與機器人系王啟寧教授課題組在智能動力下肢假肢方面取得重要突破，提出一種受馬尾草啟發(fā)的折紙軟體動力膝關節(jié)假肢，這是國際首款軟體膝關節(jié)假肢。研究為下肢假肢的設計提供了全新的思路，研究成果以“Bioinspired Origami-based Soft Prosthetic Knee”為題，發(fā)表在國際重要期刊Nature Communications上。
相關研究成果已刊發(fā)在國際重要學術期刊上
膝關節(jié)假肢設計的主要目標是既滿足殘疾人日?；镜男袆庸δ苄枨螅缭谄降?、崎嶇路面、樓梯、斜坡上行走等功能，又保證用戶穿戴的舒適性，具備如輕便、仿生、減震、以及定制化等特性。
目前，膝關節(jié)假肢都是剛性假肢，采用高密度的金屬材料制成，且各部分功能機構相對獨立，在提高功能性的同時會增大系統(tǒng)體積、重量，且剛性框架的緩沖性能也十分有限，很難兼顧功能性和舒適性。
近年來，軟體材料的高度發(fā)展有望為機器人領域提供創(chuàng)新的解決方案和功能上的增強。其固有的低密度、柔順性、緩沖性和便于3D打印的特性使軟體機器人具備輕便、柔順、減震、便于制造等特點，這十分契合膝關節(jié)假肢對于穿戴舒適性的設計要求。然而，軟體材料的高柔順性也導致其結構在運動和承重時會產生無法避免的非必要形變，這一方面不利于建模計算和運動控制，另一方面導致結構難以承受人體重量，阻礙了軟體機器人在膝關節(jié)假肢上的應用。
折紙軟體膝關節(jié)總覽
為了解決這一問題，研究團隊利用折紙結構的大范圍折展特性，使得軟體材料的膝關節(jié)假肢可以滿足膝關節(jié)大范圍運動的要求。
我們在日常折紙時，不同的長短角度會留下不同的折痕，這些折痕組合起來就能變出千奇百怪的折紙形狀，研究團隊正是抓住了折紙結構的靈活性以此模擬人體膝關節(jié)。
正面折紙結構折痕設計圖
只要巧妙地調整“折痕”的設計參數(shù)，膝關節(jié)假肢的3D折紙結構就能讓大腿桿和小腿桿自由地彎曲成各種角度。而且，通過調整不對稱度，這款假肢還能完美“模仿”人體膝關節(jié)的多中心轉動，讓假肢的運動變得自由靈活。
路邊常見的馬尾草有細細的莖稈，卻能穩(wěn)穩(wěn)地支撐起“高挑的身姿”，不怕風吹，抗彎折能力超強，這背后有著兩大關鍵機制——流體壓制穩(wěn)定和受壓內凹結構。
仿馬尾草抗彎折機制的軟體結構設計
馬尾草身上蘊含的結構奧秘被科研團隊巧妙捕捉，在設計中增加了背面折紙結構，讓它和正面折紙結構“背靠背”，增強軟體假肢的抗壓能力。經(jīng)過行走實驗檢測，軟體假肢在行動時更省力、受到的沖擊更小、舒適度更高。假肢、折紙和馬尾草看似毫不相關，卻在研究人員的巧思下共同助力科技向善。
殘疾人多地形行走實驗結果
期待這款假肢早日推廣落地，成為殘疾人邁向更廣闊人生的有力支撐，這就是科技進步的意義！
來源：綜合中關村論壇、北京大學融媒體中心、北京大學工學院、北京發(fā)布等
編輯：張雪飛
審核：張競丹
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