北京大学工学院先进制造与机器东谈主系王启宁教讲课题组在智能能源下肢假肢方面获取紧迫冲破，建议一种受马尾草启发的折纸软体能源膝枢纽假肢，这是海外首款软体膝枢纽假肢。盘问为下肢假肢的遐想提供了全新的想路，盘问后果以“BioinspiredOrigami-basedSoftProstheticKnee”为题，发表在海外紧迫期刊NatureCommunications上。该论文的第一作家为北京大学工学院博士生高想源AG真人百家乐，王启宁证实为唯独通信作家。

膝枢纽假肢遐想的主要见识是既无礼残疾东谈主日常基本的手脚功能需求，如在深谷、坎坷路面、楼梯、陡坡上行走等功能，又保证用户穿着的适意肠，具备如粗浅、仿生、减震、以及定制化等性情。当今，膝枢纽假肢齐是刚性假肢，接收高密度的金属材料制成，且各部分功能机构相对闲逸，在提高功能性的同期会增大系统体积、分量，且刚性框架的缓冲性能也相等有限，很难兼顾功能性和适意肠。连年来，软体材料的高度发展有望为机器东谈主限制提供立异的处理决议和功能上的增强。其固有的低密度、娇媚性、缓冲性和便于3D打印的性情使软体机器东谈主具备粗浅、娇媚、减震、便于制造等性情，这相等契合膝枢纽假肢关于穿着适意肠的遐想条目。可是，软体材料的高娇媚性也导致其结构在开通和承重时会产生无法幸免的非必要形变，这一方面不利于建模贪图和开通禁止，另一方面导致结构难以承受东谈主体分量，梗阻了软体机器东谈主在膝枢纽假肢上的应用。

初次建议基于折纸的仿生软体膝枢纽假肢

本盘问初次建议了基于折纸的仿生软体膝枢纽假肢，如图1所示，假肢包含了折纸结构、名义加固块、大腿、小腿集合模块。所建议软体假肢主体由热塑性聚氨酯3D打印制成，膝枢纽单位分量仅有300g，假肢高度仅为15cm。折纸结构由正面折纸结构和后面折纸结构组合而成。讹诈折纸结构的大规模折展性情，不错无礼膝枢纽大规模开通的条目。

图1.折纸软体膝枢纽总览

仿生多中心服纸膝枢纽遐想

本盘问建议一种具有变动弹中心性质的折纸结构，如图2所示，其中虚线为谷线，实线为山线，红色虚线为接济线。沿山线和谷线折叠，并使A1B和A2B、D1C和D2C差异重合，即可酿成如图2（b）所示的3D折纸结构。

其中，AB和CD差异界说为大腿杆和小腿杆，L1、L2、α1、α2、β均为折痕遐想参数，通过更正这几个参数，不错调治折纸构型以及结构上、下部分的分歧称度，如图3所示。该分歧称度影响着折纸膝枢纽的抵牾角度变化、最大抵牾角度、以及膝枢纽动弹瞬心的弧线容貌，通过调治这些遐想参数拟合东谈主体膝枢纽动弹中心，即可完了仿东谈主的膝枢纽多中心动弹。

图3.ABE12及DCE12在3D折纸结构折展历程中的变化与α1、α2、β的关系

仿马尾草抗弯折机制的软体结构遐想

马尾草是一种常见的具有管状结构的植物，这耕种物有些不错长到5米高，但是唯独2厘米粗，如图4所示，通过对其茎的截断面进行不雅察，不错看到一个由薄的外环强化组织和更厚的内环软组织构成的结构，在马尾草被弯折的时刻，外环酿成的管状结构受挤压，使得里面软组织细胞内压飞腾，从而提高结构刚度不服弯折。进一步不雅察不错发现，在髓腔滋长历程中，管状结构内壁上会酿成褶皱结构，在结构应力最集会的部位，褶皱处会进一步凹下，挤压局部细胞，使细胞内压进一步飞腾，百家乐ag跟og有什么区别从而提高局部结构强度。由此，本盘问归来出马尾草抗弯折的两大过失机制，即流体压制踏实和受压内凹结构。

为了效法马尾草抗弯折的机制，提高软体结构的承重能力，本盘问遐想了后面折纸结构，与正面折纸结构共同构成一个软体气动腔体，讹诈气腔气压模拟马尾草的细胞液压。通过调治正面和后面的折痕联系于压力场所的夹角，使正面折纸结构在承受压力时相对刚度更大，来效法马尾草中外环强化组织的作用。跟着气腔内气压的飞腾，软体折纸结构的全体刚度提高，从而不服外部压力，防守结构踏实。通过对气腔预充气压的退换，咱们不错调治软体膝枢纽结构的刚度，以交代不同进度的压力。进一神态，通过对后面结构的折痕遐想，联结正面折纸结构变形时两侧展开、高下压缩的同步开通性情，使后面折纸结构在适合正面结构开通的同期产生由外凸向内凹的开通变化，从而进一步压缩气腔体积，效法马尾草髓腔褶皱受压内凹的机制，进一步增强软体假肢的抗压能力。

图4.仿马尾草抗弯折机制的软体结构遐想

本盘问接收通过对折纸结构折面部分的加固，不错灵验络续折面的非必要形变，从而将形变罪责终端在折痕部分，由于折痕只占折纸结构很小的一部分，因此通过加固折面不错灵验裁汰结构全体的非必要形变量，提高开通精度。

软体膝枢纽假肢测试

通过试验台试验，本盘问先后对软体膝枢纽假肢的气动禁止、瞬心轨迹拟合进度、多维冲击接收、承载能力、力矩输出能力进行了测试。如图5所示，遣散标明，折纸结构不错效法东谈主体膝枢纽变动弹中心开通，软体膝枢纽假肢不错在气压初始下进行较为精确的开通，本体开通与表面贪图接近，初始带宽无礼残疾东谈主快速行走的条目。软体假肢靠近不同场所的外部冲击，齐比刚性假肢具有更强的缓冲能力（可多接收11.5%至17.3%的冲击力）。所建议的软体膝枢纽假肢不错在较低的预充气压下承载卓著75kg的分量（其自傲的250倍），并能主动输出卓著25Nm的伸膝力矩。

图5.试验台试验遣散

此外，本盘问邀请三名残疾东谈主被试进入一系列行走试验，如1m/s和1.25m/s跑步机行走、上、下15cm台阶、上、下10°陡坡、跳跃勤奋等。图6展示的是残疾东谈主差异穿着软体假肢和日常使用的刚性假肢在跑步机上以1m/s和1.25m/s的速率行走的试验遣散，试验网罗了残疾东谈主残侧和健侧的枢纽角度、肌肉激活进度、足底压力、假肢对大地冲击力和振幅的的接收，并进行了步态对称性分析。遣散标明，尽管残疾东谈主对软体假肢不闇练，仍不错穿着软体膝枢纽假肢以平方步速和较快步速进行行走，并具有更好的步态对称性，残疾东谈主不仅更省力，受到的冲击也更小，主不雅上也以为行走运的舒限度更高。

图6.残疾东谈主跑步机行走试验遣散

在多地形行走试验中，本盘问主要网罗了残疾东谈主的枢纽角度变化数据，旨在考证软体假肢的多功能性。如图7所示，试验遣散标明，软体膝枢纽假肢不错相沿残疾东谈主进行瓜代腿上、下楼梯/陡坡，并大略连气儿跳跃勤奋物，假肢不错识别残疾东谈主的开通意图并提供充分的开通规模和力。

图7.残疾东谈主多地形行走试验遣散

本盘问建议了首款软体膝枢纽假肢，为下肢假肢的遐想提供了全新的想路。假肢遐想者和盘问东谈主员们不错不受传统机械遐想的终端，接收全新的遐想法式遐想假肢。适用于软体下肢假肢应用场景的新材料、新初始、新传感的缔造也将为软体机器东谈主的发展注入簇新血液。基于3D打印等新制造法式的定制化下肢假肢制造也将成为盘问热门，快速且低本钱的制造会加速时刻迭代并裁汰研发门槛。盘问东谈主员们确信，软体膝枢纽假肢的完了将会开启一个全新的交叉盘问限制。

该论文的第一作家为北京大学工学院博士生高想源，北京大学工学院王启宁证实为唯独通信作家。互助者包括康复大学杨承旭博士、北京大学工学院硕士生陈鸿汀、北京大学人命科学学院贺新强证实、北京大学工学院阮乐成博士。关连盘问得到了国度当然科学基金委的资助。