带着假肢徒步旅行或走在鹅卵石路上是一项冒险的提议——这是可能的，但即使在相对容易的地形中，使用假肢走路的人也比其他人更容易摔倒。现在，斯坦福大学的机械工程师们已经开发出一种更稳定的假肢——以及一种更好的设计方法——可以让那些失去一条小腿的人更容易驾驭具有挑战性的地形。
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新设计的基石是一种三脚架脚，通过在三个不同的接触点之间主动转移压力来响应粗糙的地形。和脚一样重要的是团队开发的用于快速模拟和改进原型的工具。
“假体仿真器让我们可以尝试许多不同的设计，而不需要额外的硬件，”斯坦福大学Bio-X成员、机械工程副教授史蒂文柯林斯(Steven Collins)说。“基本上，我们可以尝试任何一种疯狂的设计理念，看看人们对它们的反应，”他说，而不必把每个创意都单独设计出来，每个不同的设计可能需要数月或数年的时间。
研究生Vincent Chiu，博士后研究员Alexandra Voloshina和Collins在IEEE生物医学工程学报上发表的一篇论文中描述了他们的假肢仿真器的构造和首次测试。
适应地形
在美国，大约有50万人失去了下肢，其影响不仅仅是行走更加困难。腿部截肢的人在一年中摔倒的可能性是正常人的五倍，这可能也是他们社交活动较少的原因之一。一个更好的假肢不仅可以提高灵活性，还可以提高整体生活质量。
一个特别有趣的领域是制造能够更好地处理粗糙地面的假肢。Chiu, Voloshina和Collins认为，解决办法可能是一个脚后跟朝后、脚趾朝前的三脚架。脚上安装了位置传感器和马达，可以根据不同的地形调整方向，就像脚完好的人在崎岖的地面上行走时可以移动脚趾和弯曲脚踝来进行补偿一样。
但工程师们知道，完善设计将是困难的——即使是简单的设计，传统的方法也可能需要数年甚至更长时间。Chiu说:“首先你要有一个想法，然后你要做一个原型，然后你要做出一个很好的机加工版本。”“这可能需要几年时间，而大多数时候，你会发现它实际上并不奏效。”
加速设计
Chiu和他的团队认为，他们可以通过开发一个模拟器来加速这一过程，这将颠覆设计过程。这个团队并没有建造一个可以在现实世界中测试的假肢，而是建造了一个基本的三脚架脚，然后把它连接到强大的船外马达和计算机系统上，当用户在各种地形上移动时，计算机系统控制着脚的反应。
在这一过程中,团队可以把设计重点放在如何假肢应该函数——一个脚趾应该多么努力时,应该如何等等,有弹性鞋跟,而不必担心如何使同时设备重量轻,价格低廉。
到目前为止，研究小组已经报告了一名参与者的研究结果，这名60岁的男子因糖尿病失去了膝盖以下的一条腿，早期的研究结果很有希望——这使得研究小组希望他们能够将这些结果转化为更有能力的假肢。
柯林斯说:“我们很兴奋能做的一件事就是把我们在实验室里发现的东西转化成重量轻、功耗低、因此可以在实验室外测试的廉价设备。”“如果进展顺利，我们希望能帮助把它变成一种人们可以在日常生活中使用的产品。”
这项研究由国家科学基金会资助。
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新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2019/05/29/prosthetic-foot-tackles-tough-terrain/