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动力外骨骼帮助截肢者更轻松地走路

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-14 浏览次数:0
  该设备使用电机、微处理器和算法,就像电动自行车帮助骑手上坡一样。
 
  盐湖城——斯坦·沙尔 (Stan Schaar) 在帮助邻居时因事故失去左腿,从未想过他会再次感受到用两条健康的腿轻松行走的感觉。然后他穿上了犹他大学仿生工程实验室的机械工程师开发的新型实验外骨骼 。

 
 动力外骨骼帮助截肢者更轻松地走路
 
  这位 74 岁的犹他州盐湖县男子在谈到使用新设备时说:“我感觉身后好像一阵大风,把我推倒在路上。”
 
  Schaar是六名下肢截肢者之一,他们测试了由机械工程助理教授 Tommaso Lenzi 领导的犹他大学研究人员团队设计的新型外骨骼。外骨骼包裹着佩戴者的腰部和腿部,使用电池供电的电动机和嵌入式微处理器,使截肢者能够轻松行走。
 
  该小组的研究记录在发表在《自然医学》杂志上的一篇新论文中 。除了 Lenzi,该论文的合著者还包括 U 机械工程研究生 Marshall K. Ishmael 和 Dante A. Archangeli。
 
  生活质量下降
 
  膝上截肢严重降低了数百万人的活动能力和生活质量,这在很大程度上是因为在手术过程中切除了大部分腿部肌肉。
 
  “这样做的后果是,即使你有能力移动你的臀部,你的行走能力也相当受损,”Lenzi 说。“缺乏力量和运动范围。”
 
  截肢者的标准假腿不能完全复制人腿的生物力学功能。因此,膝盖以上的截肢者在行走时会更加努力地工作,因为他们会过度使用残肢肌肉和完整的肢体肌肉,以补偿假肢缺乏的能量。
 
  Lenzi外骨骼的目标是提供额外的能量,让行走再次变得自然。该设备具有一个轻便、高效的机电执行器,该执行器连接到截肢上方的用户大腿。腰部系带包含定制电子系统、微控制器和运行高级控制算法的传感器。“外骨骼的 AI 了解人的运动方式并协助人的运动方式,”Archangli 说。执行器可以在主线束的右侧和左侧之间互换,以适应任何一条腿。
 
  像电动自行车
 
  与为漫威超级英雄钢铁侠提供额外力量的动力套装或其他帮助工人举起重物的外骨骼套装不同,Lenzi 的外骨骼为用户提供了足够的额外行走动力。教授将其比作带有电机的电动自行车,可以帮助骑手将自行车踩上坡。
 
  研究小组进行了一项研究,其中六名膝上截肢者测试了外骨骼,同时记录了他们的代谢率。测量他们的氧气摄入量和二氧化碳水平时,患者在跑步机上行走,无论是否打开设备。
 
  Lenzi 说,所有测试外骨骼的人都提高了他们的新陈代谢率——换句话说,减少了他们的能量消耗——平均提高了 15.6%。
 
  “这相当于取下一个 26 磅的背包。这是一个非常大的改进,”他说。“我们非常接近普通人在相同速度下的花费。代谢消耗与健全人的代谢消耗几乎没有区别,这取决于健康水平。”
 
  Lenzi 说,另一个关键因素是该设备非常轻巧。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。总而言之,外骨骼仅重 5.4 磅。
 
  “步行数英里”
 
  他说,对于 Schaar 来说,使用外骨骼的体验与他的人腿一样接近。
 
  “我第一次使用它时,就像我的肌肉与这个外骨骼完全融合在一起,它帮助它们移动得更快,”这位退休的计算机管理员说。“它帮助我的腿放松,向前走。穿上这件衣服我可能可以走几英里,因为它可以帮助我的肌肉运动。”
 
  七年前,Schaar 正在帮助他的朋友启动两辆皮卡时,其中一辆车不小心向前倾斜,压伤了 Schaar 的腿。在随后的截肢手术以及后续手术中,医生不得不切除他的大部分腿部肌肉。
 
  “我是一个残肢没有多少肌肉的人,”他说。“这个设备弥补了他们不得不带走的很多东西。没有什么可以取代有骨有肉的腿,但这非常接近。我希望他们能尽快将这个东西推向市场。”
 
  Lenzi 说那一刻可能会很快发生。他相信外骨骼最早可以在几年内面世。美国国防部提供了 985,000 美元的赠款,用于开发这种新的外骨骼技术,以造福退伍军人。今年早些时候,Lenzi 从美国国家科学基金会获得了 584,000 美元的新赠款。
 
  “NSF 拨款将使我们能够继续这项工作,并制造出更好的设备来帮助更多的人行走,”他说。
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