充電一次可走15460步，還能邊走邊充，這個機械假腿連腳趾都能動 | Science Robotics封面
3層BUFF：輕便、靈活、續航能力強
Alex 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
來看一段“機械飛升”的視頻：
小哥穿戴上一個機械假腿，氣定神閑地走上樓梯，甚至還可以跨級。
下樓也完全沒問題：
除了肉眼可見的靈活之外，它的續航能力也很出色——充電一次，就能走15460步。
也就是說，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，當人在平地上行走時，啟動“被動模式”，連電都不用充就能走∞步。
現在，這個動力假肢還成了Science Robotics最新一期的封面主角。
之所以能這么靈活，一是因為這個動力假肢的仿生膝關節、踝關節、腳趾都可以動。
二是它比之前的同類輕巧不少，不然…連抬個腿都費勁。
那么，能同時疊滿“輕便+靈活+續航能力強悍”3層BUFF，這個假肢到底是怎么造的？
能自發電的假腿
背后的研究團隊來自美國猶他大學，他們主要從腿部的三處重要運動關節入手：
膝關節、踝關節、腳趾關節。
正常人在行走過程中，膝關節的扭矩（力和力臂之積）變化范圍較大，比如膝關節在伸展時的扭矩可達屈腿時的4倍。
其實，動力假肢已經不是新鮮概念了，但它們搭載的動力裝置往往很笨重。先前的動力系統，膝關節處的軸都比較長。
為了緩解設備重量體積與關節扭矩之間的矛盾，研究人員們想出了一個新思路：
在運動關節的矢狀面（Sagittal Plain）上，分析生物力學原理，把要素搬到機械系統上。
這里說到的矢狀面，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，他們在膝關節處，設計了一個獨特的扭矩敏感驅動器?（Torque Sensitive Joint）。
這個驅動器是個被動可變的傳動裝置，不僅能連續快速地改變扭矩比，而且所需的電機扭矩和電流都相對大幅減少。
因此，僅用一個重量為170克的小型電機，就能在膝關節處提供足夠大的扭矩，軸長還更短。
不過除了扭矩之外，膝關節的運動速度，也是影響仿生效果的重要因素。
所幸研究人員發現，膝關節的運動速度和扭矩不會同時達到峰值，所以這個小型電機也能提供足夠的速度。
于是，在此扭矩敏感驅動器的加持下，膝關節的結構變得更緊湊，更輕巧，而且仿生效果也很奈斯~
除了膝關節外，仿生的踝關節和腳趾關節上也有不少“硬核”之處。
研究者發現，趾關節和踝關節的扭矩大小，幾乎是成正比關系；而且這兩個關節的速度大小相當、方向基本相反。
也就是說，當腳趾消耗動力時，腳踝會產生動力。
所以重點來了——
一個驅動器就能同時為腳踝和腳趾關節提供動力，而且還比用兩個單獨的驅動器需要更少的機械和電氣元件。（順便又變輕了）
這個同時給腳踝和腳趾提供動力的裝置，名曰欠驅動系統，意思是其輸入量比要控制的量少。
實測結果顯示，僅給腳踝提供動力的話，每步所需電能為14.4J，總體效率為43.8%；而采用欠驅動設計，每步所需電能下降到8.2J，總體效率達到76.8%。
可見，這樣還能“步步省電”。
研究人員推算，用這個假肢目前搭載的電池（2400毫安時），充一次電，就能在標準模式下走15460步。
而這，說的還是在要用電的標準模式。
在被動模式下，不僅不用電，還能反向充電：
系統可以把機械能轉化為電能，平均每走一步就能給電池充電2.0±0.6J。
在被動模式下，膝關節主要表現為阻尼器，踝關節則主要像彈簧一樣運動。這樣雖然不如標準模式行動自然，但在平地行走也是綽綽有余了。
另外，還有一點創新之處：
在此模式下，膝關節和踝關節假體的機械運動，和在微處理器控制下的效果很像，但現有的其他電動假肢都沒有這種功能。
到目前為止，已有三名膝上截肢者試戴了這種炫酷義肢。
結果表明，盡管他們的走路風格自成一派，但最終都能靠此獨立行走，和正常人沒有明顯差別。
研究者認為，這個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。
當然他們也表示，這個假肢仍有一些待改進之處。
例如，佩戴者不能單獨控制腳踝和腳趾關節，二者扭矩之間的比例固定，不能根據用戶的需要或偏好進行更改。
后續他們還會進行更多的實踐，提高假肢的實用效果。
事實上，全世界的截肢人群可能比大伙兒想象的還多——
據央視報道，我國每年就約28萬人因糖尿病被足截肢。
輕便好用假肢，無疑對這個龐大的群體意義非凡。
論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996
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