新型电动“外骨骼”，让截肢者轻松行走!能量耗费均降15.6%

起源：学术头条 2021-11-05 08:17

由于某些事变或许灾害，不得已被截肢的人不在少数。膝上截肢重大影响了数百万人的运动才能和生存质量，尽管市道市情上有一些腿部假肢可能辅助行走，但行走效率极低，步辇儿经济性差、使人操劳，这是限定患者挪动性的一个次要成绩。为了改善被截肢残疾人的行走难题，美国犹他年夜学仿生工程试验室的研讨职员开辟出了一套轻型能源外骨骼，该设备使用电机、微处

由于某些事变或许灾害，不得已被截肢的人不在少数。

膝上截肢重大影响了数百万人的运动才能和生存质量，尽管市道市情上有一些腿部假肢可能辅助行走，但行走效率极低，步辇儿经济性差、使人操劳，这是限定患者挪动性的一个次要成绩。

为了改善被截肢残疾人的行走难题，美国犹他年夜学仿生工程试验室的研讨职员开辟出了一套轻型能源外骨骼，该设备使用电机、微处置器和先进的算法来帮忙下肢截肢者行走，就像电动自行车帮忙骑手踩着踏板上坡一样。

该研讨小组的相关论文颁发在《自然医学》杂志上。试验数据标明，借助能源髋外骨骼辅助配备是进步截肢者步辇儿经济性的可行方案，能显着下降行走的代谢本钱，对运动性发生相称踊跃的影响，将来可年夜幅提升膝上截肢患者的生存质量。

穿上它，相称于卸下一个26磅重的背包

被截肢的人带上一般假肢行走艰巨，很年夜水平上是由于腿部的症结肌肉组织在手术进程中被切除了，市道市情上一些尺度的假肢产物并不克不及完整复制人腿的生物力学功效，是以，膝上截肢者在行走时会感觉费劲，由于他们要适度使用残肢和别的的肢体肌肉来赔偿来自假肢的能量不敷。

另外，生物力学模拟和非盘算机个别试验标明，腿部踝枢纽关头在行走进程中提供了相称年夜的净正能量。要是踝枢纽关头受损或缺失，患者必需添加残肢和完全肢体的力气，以赔偿缺失的踝枢纽关头能量，从而造成不自然、纰谬称和乃至是有效的步态形式。

虽然比来的好多研讨在削减能源假肢分量方面取得了一些停顿，但迄今为止，没有能源安装可能继续改善膝上截肢患者的代谢本钱。

犹他年夜学机器工程研讨所助理传授Tommaso Lenzi表现：“即便你有挪动臀部的才能，你的行走才能也会遭到重大侵害，缺乏力气和运动范畴。”

与漫威超等好汉钢铁侠等额定力气的能源服或其他帮忙工人搬运重物的外骨骼配备分歧，Lenzi团队的外骨骼仅为使用者提供行走所需的额定力气。

该设备具备一个轻巧、高效的机电致动器，连贯到使用者的年夜腿上，腰部的平安带包括定制的电子体系、微节制器和运转先进节制算法的传感器，外骨骼的人工智能法式相识人若何挪动，并帮忙人挪动，且执行器可在主线束的右侧和左侧之间交换，以顺应任何一条腿。

研讨小组进行了一项研讨，此中6名膝盖以上截肢的患者在记载其代谢率的同时测试了外骨骼行走数据，同时丈量他们的氧气摄入量和二氧化碳程度，一切测试外骨骼的人都进步了他们的代谢率，能量耗费均匀下降了15.6%，这相称于卸下一个26磅（约11.79㎏）重的背包。

Lenzi引见，这是一个很年夜的提高，试验中截肢患者的行走代谢耗费量简直与一个健全人的耗费量没有区别。

另一个症结因素是，该设备具备共同的轻量级，框架由碳纤维资料制成，而其他部件由塑料复合资料和铝制成，总体上去，这套外骨骼只有5.4磅重（约2.45㎏）。

一名受试残疾人Stan Schaar表现：“我第一次使用它时，感觉我的肌肉完整与这个外骨骼交融在一路，穿上它可能挪动得更快。它帮忙我的腿部抓紧，向前挪动并行走，戴上它我可以行走数英里，由于它协助于我的肌肉活动。”

七年前，Schaar在一次车辆事变中压碎了腿，在随后的截肢手术中，大夫不得不切除他的年夜部门腿部肌肉。“我是一个残肢肌肉不多的人，没有任何器械可以代替骨血腿，但这套配备十分接近。我愿望能尽快将这个设备推向市场。”Schaar弥补说。

Lenzi表现，这种外骨骼能够在几年内就能问世。美国国防部提供了98.5万美元赠款赞助了这项新的外骨骼技术的开辟，以造福入伍武士，本年早些时分，他的试验室还从国度迷信基金会得到了58.4万美元的赠款。

验证了一个假如

通常，电动假肢的目标是通过添加踝枢纽关头的能量来下降步辇儿的代谢本钱，这是心理学上的。

相比之下，这项研讨所提出的外骨骼办法旨在通过在髋枢纽关头添加非心理性能量来下降行走的代谢本钱。自立能源髋枢纽关头外骨骼已胜利下降了年青个别行走乃至跑步的代谢本钱。然而，髋外骨骼是否能下降膝上截肢患者的代谢本钱尚不分明。

在试点试验的支持下，本研讨验证了一个假如，即能源髋外骨骼可以通过在残存髋枢纽关头处注入能量来下降膝上截肢患者行走的代谢本钱。

研讨职员对膝上截肢患者（6人）进行了试验，他们在有或没有自立、单侧能源髋外骨骼的环境上行走。参加者在跑步机上以1米/秒的速率行走，或在12米步辇儿道上挪动，能源髋外骨骼可在愚昧和伸展时提供辅助扭矩。

依据每个参加者的客观偏好及试验者的教训，手动调整其愚昧和伸展的峰值及其各自的光阴。在跑步机实验时代，使用直接量热法丈量代谢能量耗费，为了防止任何潜在的混同效应，参加者不许可使用跑步机的扶手。

在跑步机实验中，每个参加者的步辇儿代谢本钱盘算为总代谢能量耗费减去抓紧站立时代丈量的代谢耗费，在6名参加者中，能源髋枢纽关头外骨骼使步辇儿的代谢本钱均匀下降15.6±2.9%。

此外，研讨职员还盘算了一切参加者的均匀髋、膝和踝枢纽关头角度。有外骨骼时残存髋枢纽关头的运动范畴也显明年夜于无外骨骼时的运动范畴，详细而言，在有和没有外骨骼的环境下，残存髋枢纽关头的活动范畴别离为49.42°和46.54°。

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