低成本的假肢模仿自然行走

假肢技术突飞猛进，为截肢者提供了一系列仿生选择，包括由微芯片控制的人造膝盖，由人工智能驱动的充满传感器的脚，以及用户可以用大脑操作的机器人手。但这样的高科技设计可能要花费数万美元，这让很多截肢者无法实现，尤其是在发展中国家。

现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种简单、低成本、被动的假肢脚，他们可以为个人量身定做。考虑到用户的体重和尺寸，研究人员可以调整假肢的形状和硬度，使用户的行走类似于健全的步态。他们估计，如果大规模生产，其成本可能比现有产品低一个数量级。

这些定制设计的假肢是基于研究人员开发的设计框架，该框架提供了一种定量的方法来预测用户的生物力学性能，或步行行为，基于假肢脚的机械设计。

“(步行)是我们人类如此核心的东西,对于这部分人群有下肢截肢,只是没有理论对我们说,“这正是我们应该设计的刚度和几何脚为你,为了让你走路的欲望,”“阿莫斯说冬天,麻省理工学院的机械工程的副教授。“现在我们可以做到。这是非常强大的。”

温特和他的前研究生Kathryn Olesnavage在IEEE的《神经系统和康复学报》上报告了这个框架的细节。他们与研究生维克多·普罗斯特和研究工程师威廉·布雷特·约翰逊一起，在美国机械工程师学会的机械设计杂志上发表了他们关于新型假肢的研究结果。

2012年，在温特加入麻省理工学院不久之后，印度斋浦尔的义肢制造商斋浦尔足(Jaipur Foot)找到了他。该组织为发展中国家的截肢者制造被动假肢，每年向印度和其他地方的用户捐赠2.8万多个模型。

温特说:“他们制作这种脚已经超过40年了，而且它很粗糙，所以农民可以赤脚在户外使用，而且它和生活很像，所以如果人们去，想赤脚祈祷，他们很可能不会被污名化。”“但它很重，内部结构都是手工制作的，这造成了产品质量的巨大差异。”

该组织询问温特是否可以设计出更好、更轻的脚，以低成本批量生产。

“那时，我们开始问自己，‘作为工程师，我们应该如何设计这只脚?’”我们应该如何预测性能，考虑到脚的刚度和机械设计和几何形状?我们该如何调整这一切，才能让一个人按照我们希望的方式走路呢?“冬天回忆说。

由Olesnavage领导的研究小组首先寻找了一种方法，可以定量地将假肢的机械特性与使用者的行走性能联系起来——这是一种以前从未完全确定的基本关系。

虽然很多假肢的研发人员专注于复制健全的脚和脚踝的动作，温特的团队却采取了不同的方法，因为他们意识到，膝盖以下失去肢体的截肢者无法感受假肢脚的功能。

温特说:“我们的一个重要发现是，对使用者来说，脚就像一个黑匣子——它与他们的神经系统没有联系，他们与脚也没有亲密的互动。”

他和Olesnavage没有设计一个假脚来模仿健全的脚的动作，而是设计了一个假脚来模仿健全的人走路时的下肢动作。

“这真的为我们打开了设计空间，”温特说。“我们可以彻底改变脚，只要我们让小腿做我们想做的，在运动学和负重方面，因为这是用户感知到的。”

在考虑了小腿的情况下，研究小组试图找到一种方法来解释当脚与地面接触时，小腿是如何运动的。为了做到这一点，研究人员参考了一个现有的数据集，该数据集包括一个身体健全的步行者在给定体型和体重的情况下所采取的步数。之前的研究人员已经记录下了步行者从脚跟到脚趾摇摆时的地面反作用力和压力中心的变化，以及小腿的位置和运动轨迹。

温特和他的同事们开发了一个简单的、被动的假肢脚的数学模型，它描述了脚的硬度、可能的运动和形状。他们将数据集中的地面反作用力输入到模型中，并将其汇总，以预测用户的小腿如何通过一步完成移动。

通过他们的模型，他们调整了模拟假肢脚的硬度和几何形状，以产生一个与健全身体的摆动接近的小腿轨迹——他们认为这是一个最小的“小腿轨迹误差”。

温特说:“理想情况下，我们会完美地调整脚部的硬度和几何形状，这样我们就能精确地模仿小腿的运动。”“总的来说，我们发现我们可以用被动结构，非常接近于肢体运动和负重。”

在曲线上演进

随后，研究小组试图确定出一种理想的单脚假肢形状，这种假肢既简单，制造成本也不高，同时还能产生与健全行走者非常相似的腿部轨迹。

为了确定理想的足部形状，研究小组使用了一种“遗传算法”——一种常用的技术，用来剔除不理想的选择，寻找最优的设计。

温特说:“就像一个动物种群一样，我们创造了一个脚种群，所有的脚都有不同的变量，以形成不同的曲线形状。”“我们将他们送入模拟系统，并计算了他们小腿的轨迹误差。那些出错率高的，我们就把它们杀光了。”

研究人员进一步将误差较低的人与其他形状的人进行混合和匹配，使这些人进化成理想的形状，使下肢的轨迹误差最小。该团队使用一条宽贝塞尔曲线来描述脚的形状，只用了几个选择变量，这在遗传算法中很容易改变。由此产生的脚的形状看起来类似于托博干的侧视图。

Olesnavage和Winter认为，通过将贝塞尔曲线的硬度和形状调整到人的体重和尺寸，该团队应该能够制造出一种假肢，可以产生类似于正常人走路的腿部运动。为了测试这一想法，研究人员为印度的志愿者制作了几只脚。这些假体是用加工过的尼龙制成的，尼龙是一种用于储存能量的材料。

温特说:“最酷的是，它完全不像一只健全的脚——它没有脚踝或跖骨关节——它只是一个大的结构，我们所关心的只是小腿如何在空间中移动。”“大部分测试是在室内进行的，但有一个人跑到外面，他非常喜欢。它让你的脚步充满活力。”

展望未来，该团队已经与生产橡胶外底的意大利公司Vibram建立了合作关系，这种橡胶外底包括可弯曲的登山靴和看起来像脚的跑鞋。该公司正在为团队的假肢设计一种逼真的覆盖物，这种覆盖物还能让脚在泥泞或湿滑的表面上获得一些牵引力。研究人员计划今年春天在印度的志愿者身上测试假肢和覆盖物。

温特说，对于那些想要重返现役的士兵或想要过积极生活的退伍等人群来说，简单的假肢脚设计也是一种更经济、更耐用的选择。

“在美国市场上，一个普通的无源脚需要1000到1万美元，由碳纤维制成。想象一下，你去找你的修复师，他们做了一些测量，他们把测量结果寄给我们，我们寄给你一个定制的尼龙脚，只需要几百美元。这个模型可能会改变整个行业的游戏规则，因为我们可以对足部进行全面量化，并针对个人进行调整，使用更便宜的材料。”