充電一次可走15460步，還能邊走邊充，這個(gè)機(jī)械假腿連腳趾都能動(dòng) | Science Robotics封面

alex 2022-11-27 13:45:00 來(lái)源：量子位

Alex 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

來(lái)看一段“機(jī)械飛升”的視頻：

小哥穿戴上一個(gè)機(jī)械假腿，氣定神閑地走上樓梯，甚至還可以跨級(jí)。

下樓也完全沒(méi)問(wèn)題：

除了肉眼可見(jiàn)的靈活之外，它的續(xù)航能力也很出色——充電一次，就能走15460步。

也就是說(shuō)，穿戴者如果不出門暴走的話，充一次電能用10天左右。（戴假肢的人平均一天走1500步）

另外，當(dāng)人在平地上行走時(shí)，啟動(dòng)“被動(dòng)模式”，連電都不用充就能走∞步。

現(xiàn)在，這個(gè)動(dòng)力假肢還成了Science Robotics最新一期的封面主角。

之所以能這么靈活，一是因?yàn)檫@個(gè)動(dòng)力假肢的仿生膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳趾都可以動(dòng)。

二是它比之前的同類輕巧不少，不然…連抬個(gè)腿都費(fèi)勁。

那么，能同時(shí)疊滿“輕便+靈活+續(xù)航能力強(qiáng)悍”3層BUFF，這個(gè)假肢到底是怎么造的？

能自發(fā)電的假腿

背后的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自美國(guó)猶他大學(xué)，他們主要從腿部的三處重要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)入手：

膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳趾關(guān)節(jié)。

正常人在行走過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)的扭矩（力和力臂之積）變化范圍較大，比如膝關(guān)節(jié)在伸展時(shí)的扭矩可達(dá)屈腿時(shí)的4倍。

其實(shí)，動(dòng)力假肢已經(jīng)不是新鮮概念了，但它們搭載的動(dòng)力裝置往往很笨重。先前的動(dòng)力系統(tǒng)，膝關(guān)節(jié)處的軸都比較長(zhǎng)。

為了緩解設(shè)備重量體積與關(guān)節(jié)扭矩之間的矛盾，研究人員們想出了一個(gè)新思路：

在運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的矢狀面（Sagittal Plain）上，分析生物力學(xué)原理，把要素搬到機(jī)械系統(tǒng)上。

這里說(shuō)到的矢狀面，就是把人體或器官、組織，分為左右兩部分的解剖平面。

由此思路，他們?cè)?strong>膝關(guān)節(jié)處，設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的扭矩敏感驅(qū)動(dòng)器?（Torque Sensitive Joint）。

這個(gè)驅(qū)動(dòng)器是個(gè)被動(dòng)可變的傳動(dòng)裝置，不僅能連續(xù)快速地改變扭矩比，而且所需的電機(jī)扭矩和電流都相對(duì)大幅減少。

因此，僅用一個(gè)重量為170克的小型電機(jī)，就能在膝關(guān)節(jié)處提供足夠大的扭矩，軸長(zhǎng)還更短。

不過(guò)除了扭矩之外，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度，也是影響仿生效果的重要因素。

所幸研究人員發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度和扭矩不會(huì)同時(shí)達(dá)到峰值，所以這個(gè)小型電機(jī)也能提供足夠的速度。

于是，在此扭矩敏感驅(qū)動(dòng)器的加持下，膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)變得更緊湊，更輕巧，而且仿生效果也很奈斯~

除了膝關(guān)節(jié)外，仿生的踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)上也有不少“硬核”之處。

研究者發(fā)現(xiàn)，趾關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的扭矩大小，幾乎是成正比關(guān)系；而且這兩個(gè)關(guān)節(jié)的速度大小相當(dāng)、方向基本相反。

也就是說(shuō)，當(dāng)腳趾消耗動(dòng)力時(shí)，腳踝會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力。

所以重點(diǎn)來(lái)了——

一個(gè)驅(qū)動(dòng)器就能同時(shí)為腳踝和腳趾關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，而且還比用兩個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器需要更少的機(jī)械和電氣元件。（順便又變輕了）

這個(gè)同時(shí)給腳踝和腳趾提供動(dòng)力的裝置，名曰欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，意思是其輸入量比要控制的量少。

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，僅給腳踝提供動(dòng)力的話，每步所需電能為14.4J，總體效率為43.8%；而采用欠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，每步所需電能下降到8.2J，總體效率達(dá)到76.8%。

可見(jiàn)，這樣還能“步步省電”。

研究人員推算，用這個(gè)假肢目前搭載的電池（2400毫安時(shí)），充一次電，就能在標(biāo)準(zhǔn)模式下走15460步。

而這，說(shuō)的還是在要用電的標(biāo)準(zhǔn)模式。

在被動(dòng)模式下，不僅不用電，還能反向充電：

系統(tǒng)可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，平均每走一步就能給電池充電2.0±0.6J。

在被動(dòng)模式下，膝關(guān)節(jié)主要表現(xiàn)為阻尼器，踝關(guān)節(jié)則主要像彈簧一樣運(yùn)動(dòng)。這樣雖然不如標(biāo)準(zhǔn)模式行動(dòng)自然，但在平地行走也是綽綽有余了。

另外，還有一點(diǎn)創(chuàng)新之處：

在此模式下，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)假體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，和在微處理器控制下的效果很像，但現(xiàn)有的其他電動(dòng)假肢都沒(méi)有這種功能。

到目前為止，已有三名膝上截肢者試戴了這種炫酷義肢。

結(jié)果表明，盡管他們的走路風(fēng)格自成一派，但最終都能靠此獨(dú)立行走，和正常人沒(méi)有明顯差別。

研究者認(rèn)為，這個(gè)假肢的適用人群非常廣泛：身高在160到191cm之間、凈體重在59到91公斤的截肢患者都可以正常佩戴。

當(dāng)然他們也表示，這個(gè)假肢仍有一些待改進(jìn)之處。

例如，佩戴者不能單獨(dú)控制腳踝和腳趾關(guān)節(jié)，二者扭矩之間的比例固定，不能根據(jù)用戶的需要或偏好進(jìn)行更改。

后續(xù)他們還會(huì)進(jìn)行更多的實(shí)踐，提高假肢的實(shí)用效果。

事實(shí)上，全世界的截肢人群可能比大伙兒想象的還多——

據(jù)央視報(bào)道，我國(guó)每年就約28萬(wàn)人因糖尿病被足截肢。

輕便好用假肢，無(wú)疑對(duì)這個(gè)龐大的群體意義非凡。

論文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996