充电一次可走15460步，还能边走边充，这个机械假腿连脚趾都能动 | Science Robotics封面
3层BUFF：轻便、灵活、续航能力强
Alex 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
来看一段“机械飞升”的视频：
小哥穿戴上一个机械假腿，气定神闲地走上楼梯，甚至还可以跨级。
下楼也完全没问题：
除了肉眼可见的灵活之外，它的续航能力也很出色——充电一次，就能走15460步。
也就是说，穿戴者如果不出门暴走的话，充一次电能用10天左右。（戴假肢的人平均一天走1500步）
另外，当人在平地上行走时，启动“被动模式”，连电都不用充就能走∞步。
现在，这个动力假肢还成了Science Robotics最新一期的封面主角。
之所以能这么灵活，一是因为这个动力假肢的仿生膝关节、踝关节、脚趾都可以动。
二是它比之前的同类轻巧不少，不然…连抬个腿都费劲。
那么，能同时叠满“轻便+灵活+续航能力强悍”3层BUFF，这个假肢到底是怎么造的？
能自发电的假腿
背后的研究团队来自美国犹他大学，他们主要从腿部的三处重要运动关节入手：
膝关节、踝关节、脚趾关节。
正常人在行走过程中，膝关节的扭矩（力和力臂之积）变化范围较大，比如膝关节在伸展时的扭矩可达屈腿时的4倍。
其实，动力假肢已经不是新鲜概念了，但它们搭载的动力装置往往很笨重。先前的动力系统，膝关节处的轴都比较长。
为了缓解设备重量体积与关节扭矩之间的矛盾，研究人员们想出了一个新思路：
在运动关节的矢状面（Sagittal Plain）上，分析生物力学原理，把要素搬到机械系统上。
这里说到的矢状面，就是把人体或器官、组织，分为左右两部分的解剖平面。
由此思路，他们在膝关节处，设计了一个独特的扭矩敏感驱动器 （Torque Sensitive Joint）。
这个驱动器是个被动可变的传动装置，不仅能连续快速地改变扭矩比，而且所需的电机扭矩和电流都相对大幅减少。
因此，仅用一个重量为170克的小型电机，就能在膝关节处提供足够大的扭矩，轴长还更短。
不过除了扭矩之外，膝关节的运动速度，也是影响仿生效果的重要因素。
所幸研究人员发现，膝关节的运动速度和扭矩不会同时达到峰值，所以这个小型电机也能提供足够的速度。
于是，在此扭矩敏感驱动器的加持下，膝关节的结构变得更紧凑，更轻巧，而且仿生效果也很奈斯~
除了膝关节外，仿生的踝关节和脚趾关节上也有不少“硬核”之处。
研究者发现，趾关节和踝关节的扭矩大小，几乎是成正比关系；而且这两个关节的速度大小相当、方向基本相反。
也就是说，当脚趾消耗动力时，脚踝会产生动力。
所以重点来了——
一个驱动器就能同时为脚踝和脚趾关节提供动力，而且还比用两个单独的驱动器需要更少的机械和电气元件。（顺便又变轻了）
这个同时给脚踝和脚趾提供动力的装置，名曰欠驱动系统，意思是其输入量比要控制的量少。
实测结果显示，仅给脚踝提供动力的话，每步所需电能为14.4J，总体效率为43.8%；而采用欠驱动设计，每步所需电能下降到8.2J，总体效率达到76.8%。
可见，这样还能“步步省电”。
研究人员推算，用这个假肢目前搭载的电池（2400毫安时），充一次电，就能在标准模式下走15460步。
而这，说的还是在要用电的标准模式。
在被动模式下，不仅不用电，还能反向充电：
系统可以把机械能转化为电能，平均每走一步就能给电池充电2.0±0.6J。
在被动模式下，膝关节主要表现为阻尼器，踝关节则主要像弹簧一样运动。这样虽然不如标准模式行动自然，但在平地行走也是绰绰有余了。
另外，还有一点创新之处：
在此模式下，膝关节和踝关节假体的机械运动，和在微处理器控制下的效果很像，但现有的其他电动假肢都没有这种功能。
到目前为止，已有三名膝上截肢者试戴了这种炫酷义肢。
结果表明，尽管他们的走路风格自成一派，但最终都能靠此独立行走，和正常人没有明显差别。
研究者认为，这个假肢的适用人群非常广泛：身高在160到191cm之间、净体重在59到91公斤的截肢患者都可以正常佩戴。
当然他们也表示，这个假肢仍有一些待改进之处。
例如，佩戴者不能单独控制脚踝和脚趾关节，二者扭矩之间的比例固定，不能根据用户的需要或偏好进行更改。
后续他们还会进行更多的实践，提高假肢的实用效果。
事实上，全世界的截肢人群可能比大伙儿想象的还多——
据央视报道，我国每年就约28万人因糖尿病被足截肢。
轻便好用假肢，无疑对这个庞大的群体意义非凡。
论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996
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