新型电动“外骨骼”，让截肢者轻松行走！能量消耗均降15.6％( 二 )

一名受试残疾人StanSchaar表示：“我第一次使用它时，感觉我的肌肉完全与这个外骨骼融合在一起，穿上它能够移动得更快。它帮助我的腿部放松，向前移动并行走，戴上它我可以行走数英里，因为它协助于我的肌肉运动。 ”
七年前， Schaar在一次车辆事故中压碎了腿，在随后的截肢手术中，医生不得不切除他的大部分腿部肌肉。 “我是一个残肢肌肉不多的人，没有任何东西可以取代骨肉腿，但这套装备非常接近。我希望能尽快将这个设备推向市场。 ”Schaar补充说。
Lenzi表示，这种外骨骼可能在几年内就能问世。美国国防部提供了98.5万美元赠款资助了这项新的外骨骼技术的开发，以造福退伍军人，今年早些时候，他的实验室还从国家科学基金会获得了58.4万美元的赠款。
验证了一个假设
通常，电动假肢的目的是通过增加踝关节的能量来降低步行的代谢成本，这是生理学上的。
相比之下，这项研究所提出的外骨骼方法旨在通过在髋关节增加非生理性能量来降低行走的代谢成本。自主动力髋关节外骨骼已成功降低了年轻个体行走甚至跑步的代谢成本。然而，髋外骨骼是否能降低膝上截肢患者的代谢成本尚不清楚。
在试点实验的支持下，本研究验证了一个假设，即动力髋外骨骼可以通过在残余髋关节处注入能量来降低膝上截肢患者行走的代谢成本。
研究人员对膝上截肢患者（6人）进行了实验，他们在有或没有自主、单侧动力髋外骨骼的情况下行走。参与者在跑步机上以1米/秒的速度行走，或在12米步行道上移动，动力髋外骨骼可在屈曲和伸展时提供辅助扭矩。
根据每个参与者的主观偏好及实验者的经验，手动调整其屈曲和伸展的峰值及其各自的时间。在跑步机试验期间，使用间接量热法测量代谢能量消耗，为了避免任何潜在的混淆效应，参与者不允许使用跑步机的扶手。

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图|外骨骼装备在跑步机上以1米/秒运动时的参数值（来源：NatureMedicine）
在跑步机试验中，每个参与者的步行代谢成本计算为总代谢能量消耗减去放松站立期间测量的代谢消耗，在6名参与者中，动力髋关节外骨骼使步行的代谢成本平均降低15.6±2.9% 。
此外，研究人员还计算了所有参与者的平均髋、膝和踝关节角度。有外骨骼时残余髋关节的活动范围也明显大于无外骨骼时的活动范围，具体而言，在有和没有外骨骼的情况下，残余髋关节的运动范围分别为49.42°和46.54° 。
值得注意的是，外骨骼辅助下的残余髋关节运动学在参与者之间存在显著差异，髋关节活动范围在37.97°和59.08°之间，屈曲扭矩在56.7%和64.2%的步幅之间达到峰值，伸展扭矩在9.4%和14.3%的步幅之间达到峰值。平均而言， 69.0%的外骨骼辅助能量发生在屈曲期间。
在地面测试中，所有参与者以自己选择的速度在有外骨骼和没有外骨骼的情况下在地面上行走，外骨骼辅助的调整与跑步机试验相同。由于自主选择的行走速度更快，外骨骼在地面上的辅助力量高于在跑步机上，在行走速度、重心运动学或时间步态对称性方面未观察到显著差异。
装备还有很大优化空间
迄今为止，膝上截肢患者最有效的辅助设备是微处理器控制的假体，这项技术于20世纪90年代引入市场，与20世纪50年代推出的上一代假肢相比，微处理器控制的假肢步行经济性提高了5–6.5%左右。与单独使用假肢行走相比，论文里的自主动力髋关节外骨骼进一步将步行经济性提高了15.6% 。