在过去二十年间，假肢技术取得了长足进步。如今，最先进的假肢集成了微处理器，并与内置陀螺仪、加速度计和液压装置协同工作，使使用者能够以正常步态行走。此类顶级假肢的价格可能超过5万美元。
Amos Winter 旨在研发一种被动式低技术假肢膝关节，其性能接近高端假肢，而成本仅为其一小部分。
“我们正在追求这一颠覆性机遇，”麻省理工学院机械工程助理教授Winter说道。“如果我们能用几百美元做出性能媲美一个5万美元膝关节的产品，那将是一次改变游戏规则的突破。”
在IEEE的 《Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》 上发表的一篇论文中，该团队报告称，他们已根据各段腿部的质量，计算出假肢膝关节应产生的理想扭矩，以诱导健全人的运动学特征，即正常行走。
该团队利用论文结果，制作了一款假肢膝关节原型，仅使用弹簧和阻尼器等简单机械元件，即可产生与健全膝关节相似的扭矩曲线。团队正在印度测试该原型，印度目前约有23万名膝上截肢者。
“在印度等地，这种残疾仍然带有污名，”Winter说，“患者获得工作或结婚的可能性可能更低。人们在可能的情况下都希望不引人注目。”
论文的共同作者包括研究生Murthy Arlekatti，以及哈佛大学博士生Yashraj Narang。
调整扭矩
发展中国家的大多数截肢者使用被动式假肢，这种简单、廉价的设计没有活动部件。“看到人们穿着它们行走时，步态相当明显地一瘸一拐，”Winter说。部分原因在于，被动式假肢不会在人行走时调整施加的扭矩。例如，在正常行走中，膝关节会在脚蹬离地面之前略微屈曲，这种扭矩变化使人的重心保持稳定。相比之下，僵硬、不弯曲的假肢膝关节会导致人每走一步都上下颠簸。
Winter认为，要制造一种模拟正常行走的被动式假肢膝关节，就必须同时模拟正常行走过程中变化的作用力，即扭矩曲线。他和团队查阅了科学文献中关于正常行走的数据，找到了一组完整数据集，涵盖一个人的步态，包括关节角度、每段腿部的重量，以及地面反作用力（即足部与地面之间的作用力），这些数据针对的是单个步态周期，即一步。
研究人员利用这些测量数据计算了扭矩曲线，即正常行走过程中膝关节产生的扭矩大小。由于假肢的重量通常为人腿和脚重量的三分之一至二分之一，研究人员将扭矩曲线调整为适用于较轻的腿部段。
“如果把健康水平的扭矩施加于轻得多的肢体上，你的运动学特征会完全乱套，”Winter说。“机械肢体的设计正是为了降低扭矩。我们面临的挑战是，如何在被动式假肢膝关节上调整扭矩曲线，以获得健全人的运动？”
随后，研究人员探究了能否利用简单机械元件，制造出能够复现调整后扭矩曲线的假肢膝关节。目前，团队已经研制出一个简单原型，包括一根弹簧和两个充当刹车片的阻尼器。弹簧使膝关节在脚蹬离地面之前能够弯曲。同时，第一个阻尼器启动，防止腿向后摆动。第二个阻尼器在腿向前摆动时启动，以便在脚跟着地前不久减慢摆动速度。
西北大学物理医学与康复学助理教授Matthew Major表示，对于开具处方的临床医生和假肢设计者而言，挑战在于为个体使用者的运动学特征定制假肢。他说，Winter的工作“通过可靠且具有成本效益的技术，增强了我们为全球大量下肢缺失人群提供更个性化医疗服务的能力”。
Winter的团队目前正在印度与志愿者一起测试该设计。
“这是一个快速而粗糙的原型，但到目前为止，我们看到了自然步态的良好迹象，”Winter说。“我还不准备宣布胜利，但[本文]提出了一条与以往截然不同的路线图，这将使我们能够以低成本实现非常高的性能。这正是我们所追求的。”
这项研究部分由美国国家科学基金会资助。
本文与 MIT News合作发布。刊发并不代表世界经济论坛认同其观点。
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作者：Jennifer Chu是MIT News的特约撰稿人。
图片：Yashraj Narang SM ’13（右）对印度膝上截肢者开展了全面调查，以了解他们独特的用户需求以及现有假肢的性能。MIT News。
