新型电动“外骨骼”，让截肢者轻松行走！能量消耗均降15.6％

撰文：库珀
编审：寇建超
因为某些事故或者灾祸，不得已被截肢的人不在少数。
膝上截肢严重影响了数百万人的活动能力和生活质量，虽然市面上有一些腿部假肢能够辅助行走，但行走效率极低，步行经济性差、使人劳累，这是限制患者移动性的一个主要问题。
为了改善被截肢残疾人的行走难题，美国犹他大学仿生工程实验室的研究人员开发出了一套轻型动力外骨骼，该设备使用电机、微处理器和先进的算法来帮助下肢截肢者行走，就像电动自行车帮助骑手踩着踏板上坡一样。
【新型电动“外骨骼”，让截肢者轻松行走！能量消耗均降15.6％】该研究小组的相关论文发表在《自然医学》杂志上。实验数据表明，借助动力髋外骨骼辅助装备是提高截肢者步行经济性的可行方案，能显著降低行走的代谢成本，对活动性产生相当积极的影响，未来可大幅提升膝上截肢患者的生活质量。

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图|装备测试（来源：Utah’sBionicEngineeringLab）
穿上它，相当于卸下一个26磅重的背包
被截肢的人带上普通假肢行走艰难，很大程度上是因为腿部的关键肌肉组织在手术过程中被切除了，市面上一些标准的假肢产品并不能完全复制人腿的生物力学功能，因此，膝上截肢者在行走时会感觉吃力，因为他们要过度使用残肢和其余的肢体肌肉来补偿来自假肢的能量不足。
另外，生物力学模拟和非计算机个体实验表明，腿部踝关节在行走过程中提供了相当大的净正能量。如果踝关节受损或缺失，患者必须增加残肢和完整肢体的力量，以补偿缺失的踝关节能量，从而形成不自然、不对称和甚至是无效的步态模式。
尽管最近的很多研究在减少动力假肢重量方面取得了一些进展，但迄今为止，没有动力装置能够持续改善膝上截肢患者的代谢成本。
犹他大学机械工程研究所助理教授TommasoLenzi表示：“即使你有移动臀部的能力，你的行走能力也会受到严重损害，缺乏力量和活动范围。 ”

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图|动力髋关节外骨骼和实验装置（来源：NatureMedicine）
与漫威超级英雄钢铁侠等额外力量的动力服或其他帮助工人搬运重物的外骨骼装备不同， Lenzi团队的外骨骼仅为使用者提供行走所需的额外力量。
该设备具有一个轻巧、高效的机电致动器，连接到使用者的大腿上，腰部的安全带包含定制的电子系统、微控制器和运行先进控制算法的传感器，外骨骼的人工智能程序了解人如何移动，并帮助人移动，且执行器可在主线束的右侧和左侧之间互换，以适应任何一条腿。
研究小组进行了一项研究，其中6名膝盖以上截肢的患者在记录其代谢率的同时测试了外骨骼行走数据，同时测量他们的氧气摄入量和二氧化碳水平，所有测试外骨骼的人都提高了他们的代谢率，能量消耗平均降低了15.6% ，这相当于卸下一个26磅（约11.79㎏）重的背包。
Lenzi介绍，这是一个很大的进步，实验中截肢患者的行走代谢消耗量几乎与一个健全人的消耗量没有区别。
另一个关键因素是，该设备具有独特的轻量级，框架由碳纤维材料制成，而其他部件由塑料复合材料和铝制成，总体下来，这套外骨骼只有5.4磅重（约2.45㎏）。

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图|带和不带外骨骼行走的代谢成本比较（来源：NatureMedicine）