北大首创！全球首款软体膝关节假肢问世，性能优越助力残疾人轻松行走

北京大学工学院先进制造与机器人系王启宁教授的研究团队，最近成功研发出全球首款软体膝关节假肢。这种新型假肢的设计受到了马尾草弯折机制的启发，通过模拟其内凹抗压结构，极大地改善了假肢的功能性和舒适性。该研究登上了国际顶级期刊《Nature Communications》，标志着在智能动力下肢假肢技术上的一大突破。

传统的膝关节假肢大多采用刚性材料制造，重量大，缓冲性能差，很难在功能性和舒适性之间找到平衡。北京大学的研究团队采用折纸结构，利用热塑性聚氨酯材料，通过3D打印技术制造。其膝关节单元仅有300克重，高度仅为15厘米，因而更加轻便和精巧。新型假肢不仅能实现大范围的膝关节运动，还具备较高的仿生度和定制化潜力。

在设计过程中，研究团队从马尾草的结构中获得灵感。马尾草是一种高度纤细的植物，但其管状结构能在受到外界压力时有效抵抗弯折。这种植物在茎受弯时，外环组织会挤压使内环细胞的内压上升，从而提高整体刚度。课题组选取这种策略，设计出正面和背面折纸结构所组成的软体气动腔体，通过调节气压来模拟马尾草的抗压机制。在膝关节假肢结构中，假肢通过压力调整，形成外凸向内凹的运动变化，这样能有效增强抗压能力，提高假肢的稳定性和承重性。

实验台测试表明，该软体假肢能够模拟人体膝关节的变转动中心的运动，气压驱动下的运动精度较高，可在较低的气压状态下承载超过75公斤的重量，并能主动输出超过25Nm的伸膝力矩。另外，面对不同方向的外部冲击，软体假肢的缓冲能力较刚性假肢提高了11.5%到17.3%。

为了验证软体假肢的实际应用效果，研究团队邀请了三名残疾人参与行走实验。当佩戴软体假肢进行跑步机行走、上下台阶、斜坡行走以及跨越障碍等测试时，结果显示残疾人能以每秒1米至1.25米的速度正常行走，并表现出较好的步态对称性。用户不仅走路更加省力，受到的冲击也显著减少，行走时的舒适度显著提高。

该研究为下肢假肢的设计提出了全新的思路，利用生物模仿与现代制造技术，使假肢设计不再受限于传统刚性机械的瓶颈。未来，软体材料和驱动、传感器的发展将为假肢带来更多的创新动力。同时，3D打印等新型制造方法的推广也有望降低研发门槛，加快技术迭代，使定制化的假肢更容易实现。

相信随着这一技术的不断发展与完善，将为残疾人提供更轻便、高效、舒适的假肢，极大地提高他们的生活质量。这一研究不仅展示了软体机器人在医疗领域的潜力，还推动了跨学科合作，开启了智能动力假肢研究的崭新篇章。