充电一次可走15460步,还能边走边充,这个机械假腿连脚趾都能动

Alex 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

来看一段“机械飞升”的视频:

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小哥穿戴上一个机械假腿,气定神闲地走上楼梯,甚至还可以跨级。

下楼也完全没问题:

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除了肉眼可见的灵活之外,它的续航能力也很出色——充电一次,就能走15460步

也就是说,穿戴者如果不出门暴走的话,充一次电能用10天左右。(戴假肢的人平均一天走1500步)

另外,当人在平地上行走时,启动“被动模式”,连电都不用充就能走∞步

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现在,这个动力假肢还成了Science Robotics最新一期的封面主角。

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之所以能这么灵活,一是因为这个动力假肢的仿生膝关节、踝关节、脚趾都可以动。

二是它比之前的同类轻巧不少,不然…连抬个腿都费劲。

那么,能同时叠满“轻便+灵活+续航能力强悍”3层BUFF,这个假肢到底是怎么造的?

能自发电的假腿

背后的研究团队来自美国犹他大学,他们主要从腿部的三处重要运动关节入手:

膝关节、踝关节、脚趾关节

正常人在行走过程中,膝关节的扭矩(力和力臂之积)变化范围较大,比如膝关节在伸展时的扭矩可达屈腿时的4倍。

其实,动力假肢已经不是新鲜概念了,但它们搭载的动力装置往往很笨重。先前的动力系统,膝关节处的轴都比较长。

为了缓解设备重量体积与关节扭矩之间的矛盾,研究人员们想出了一个新思路:

在运动关节的矢状面(Sagittal Plain)上,分析生物力学原理,把要素搬到机械系统上。

这里说到的矢状面,就是把人体或器官、组织,分为左右两部分的解剖平面。

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由此思路,他们在膝关节处,设计了一个独特的扭矩敏感驱动器 (Torque Sensitive Joint)。

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这个驱动器是个被动可变的传动装置,不仅能连续快速地改变扭矩比,而且所需的电机扭矩和电流都相对大幅减少。

因此,仅用一个重量为170克的小型电机,就能在膝关节处提供足够大的扭矩,轴长还更短。

不过除了扭矩之外,膝关节的运动速度,也是影响仿生效果的重要因素。

所幸研究人员发现,膝关节的运动速度和扭矩不会同时达到峰值,所以这个小型电机也能提供足够的速度。

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于是,在此扭矩敏感驱动器的加持下,膝关节的结构变得更紧凑,更轻巧,而且仿生效果也很奈斯~

除了膝关节外,仿生的踝关节和脚趾关节上也有不少“硬核”之处。

研究者发现,趾关节和踝关节的扭矩大小,几乎是成正比关系;而且这两个关节的速度大小相当、方向基本相反。

也就是说,当脚趾消耗动力时,脚踝会产生动力。

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所以重点来了——

一个驱动器就能同时为脚踝和脚趾关节提供动力,而且还比用两个单独的驱动器需要更少的机械和电气元件。(顺便又变轻了)

这个同时给脚踝和脚趾提供动力的装置,名曰欠驱动系统,意思是其输入量比要控制的量少。

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实测结果显示,仅给脚踝提供动力的话,每步所需电能为14.4J,总体效率为43.8%;而采用欠驱动设计,每步所需电能下降到8.2J,总体效率达到76.8%。

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可见,这样还能“步步省电”。

研究人员推算,用这个假肢目前搭载的电池(2400毫安时),充一次电,就能在标准模式下走15460步。

而这,说的还是在要用电的标准模式。

在被动模式下,不仅不用电,还能反向充电

系统可以把机械能转化为电能,平均每走一步就能给电池充电2.0±0.6J。

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在被动模式下,膝关节主要表现为阻尼器,踝关节则主要像弹簧一样运动。这样虽然不如标准模式行动自然,但在平地行走也是绰绰有余了。

另外,还有一点创新之处:

在此模式下,膝关节和踝关节假体的机械运动,和在微处理器控制下的效果很像,但现有的其他电动假肢都没有这种功能。

到目前为止,已有三名膝上截肢者试戴了这种炫酷义肢。

结果表明,尽管他们的走路风格自成一派,但最终都能靠此独立行走,和正常人没有明显差别。

研究者认为,这个假肢的适用人群非常广泛:身高在160到191cm之间、净体重在59到91公斤的截肢患者都可以正常佩戴。

当然他们也表示,这个假肢仍有一些待改进之处。

例如,佩戴者不能单独控制脚踝和脚趾关节,二者扭矩之间的比例固定,不能根据用户的需要或偏好进行更改。

后续他们还会进行更多的实践,提高假肢的实用效果。

事实上,全世界的截肢人群可能比大伙儿想象的还多——

据央视报道,我国每年就约28万人因糖尿病被足截肢。

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轻便好用假肢,无疑对这个庞大的群体意义非凡。

论文地址:

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

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