運動型假肢幫截肢者實現飛人夢

2021-01-20 人民網

幾千年來,假肢裝置一直沒有什麼改變,直到當被截肢的運動員們加入了設計假肢的隊伍中來的時候,一切就徹底的變了。

奧斯卡·皮斯託瑞斯

奧斯卡·皮斯託瑞斯,是一位不平凡的南非殘疾人。他失去了雙腿,卻有著驚人的奔跑速度。他是帕運會世界短跑紀錄的保持者。當年,他400米的成績是45.07s,這足以使他在奧運會上取得第五。但是,運動型假肢產生的效果遭受爭議。通過對「刀鋒跑者」奔跑錄像的細緻研究,專家認為皮斯託瑞斯因為假肢裝置受益良多,這也許是他成績驚人的主要原因。 於是許多人對他的參賽提出否認。不過,也有支持者認為奧斯卡主要靠的是精神,而不是假肢的高科技,使自己達到飛人的高度,他依舊是有資格的。最終,他被選入了2012倫敦奧運南非接力賽的名單,成了奧運會歷史上第一位雙腿截肢的運動員。

關於 「飛毛腿」假肢裝置

皮斯託瑞斯所用的假肢裝置正是「飛毛腿」。這款價值1.5萬英鎊的假肢產品,由冰島一家知名殘障人器械公司「奧索」(ossur)研製。它由50~80層碳纖維構成,大約有8鎊重。為了更適於跑步,「腳跟」還添了一條耐克跑鞋的鞋底。

它是由一位被截肢的生物醫藥學工程師,範·菲利普,設計而成。他於1976年發生事故被截肢。菲利普發現原先的假肢無法進行跑跳,便著手開始設計,並於1984年完成了「飛毛腿」的設計。

在研究過程中,菲利普發現,碳纖維不僅又輕又堅韌,而且最重要的是,碳纖維是各向異性的,這使得碳纖維極富彈性,可以根據水平、豎直方向上的受力不同而改變。這就使得用碳纖維做成的假肢足以返回運動員所需要的能量。J-型設計

J-型設計很關鍵。在顯微鏡中,碳纖維呈J型排列。這也就是說,在J型的頂端,「飛毛腿」之所以如此堅硬,是因為運動員所施加的、向下的力,正好順著碳纖維的紋理。而在J型的曲線上,這樣的力又正好垂直於纖維的紋路。隨著遠動員邁步時對地用力的變化,曲線也隨之彎曲。而當運動員步子離開逐漸地面時,之前給予曲線的能量會通過J型堅硬的頂端釋放給自己的身體。

給「無腿的單車騎手」的難題

騎單車也是一項很受歡迎的運動,但是,對於假肢裝置設計者,給「無腿的單車騎手」設計假肢裝置也是具有挑戰性的。其中,最大的挑戰是,如何將踩踏板力高效地運用在循環的踏板環中,而不僅僅只是簡單地一上一下。

賽斯·愛思特的「節奏」,這是一款膝下的假肢,它是如今最具有發展前景的假肢裝置之一。關於「節奏」假肢裝置

其設計的智慧不僅在於腳踝處有個轉軸,而更在於可以對假肢的控制。在它的人造腳後跟和下肢之間是一根彈性管。當殘疾的單車騎手在踏板的循環最高處向下踩踏板時,這種人造下肢會繞腳踝處的轉軸轉動,此時,腳也隨之向上,而腳後跟向下。這種伸展正是彈性管的功勞。當踏板運動到底部時,被彈性管儲存的能量會被釋放出來,這就使腳後跟向上,並帶動轉軸使腳趾向下。通過這種方法,足尖可以在前1/4的循環中向上,而在第二個1/4中稍平些,這對於健全的單車手在騎車時也同樣如此。憑此方法,就使截肢的遠動員足以控制腳的旋轉了。

但是,這種設計缺少了膝蓋的成分。而踏板的運動循環中,是需要膝蓋的連結,來使循環運動自如地保持足夠的堅韌,將所施的力傳遞給踏板。為了解決這個問題,於是,最新的假肢在膝蓋設計上,融入了傳感器、流體力學和電磁學的理論。

就比如,「Ossur Rheo 膝蓋」,其內部是由一種含有微小鐵離子的半粘流體組成的。

第六感:假肢的未來

運動型假肢的未來將會是什麼的呢?不幸的是,截肢的單車騎手並不怎麼使用發展至今的假肢裝置。假肢裝置的這些原理雖聽上去很行得通,但其實存在不少的問題,我們還沒有製作出足夠優秀的、用來監控力的傳感器。同樣,電傳感器也存在問題。所以我們未來面臨的最大挑戰是:如何製造出一款更牢固、更柔韌的新型傳感器,來避免相互衝突的問題。而可能解決辦法就在於再度深入探究所用材料和包含的物理理論。

就比如,J-型假肢。傑隆·米斯恩已經將光學力傳感器代替原來的電傳感器。這其中,包含了一層疊一層的、超薄的3層(如上圖)。第一層:雷射源;第二層:可變形的矽層;第三層:感光二極體。3層疊加,總的厚度約180微米。而原理很簡單:在未受幹擾時,雷射束層與二極體層並排。一旦有了剪切的壓力,第二層會變形,第一、三層位置因此發生變化。因此,二極體捕捉到的雷射的光亮會隨之越來越暗,其電的產量也會隨著壓力不同而成比例的變化。這樣就可以調整假肢,使它和健全的人們的肢體一樣運作了。

假肢發展的潛力無限。 或許未來,「即使沒有雙腿,也能跑得全世界最快」不再只是夢了。

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