生活中，任何人或多或少都会遭遇一些不幸，比如车祸、火灾、疾病等，从而造成一定的物质损失。更甚者，这些不幸还可能导致数百万、甚至更多人失去维持活动能力的肢体，无法在物质充裕的世界得到精神上的满足。如今，一种新型仿生腿（动力假腿）有望大大增加截肢患者的行走能力。来自犹他大学的研究团队为截肢患者开发了一种具有膝盖、脚踝和脚趾关节生物力学的仿生腿。
该仿生腿不仅重量轻，而且还能在穿戴者行走过程中再生能量，延长其内部电池的工作时间。而且，临床前试验表明，该仿生腿可以进行接近标准运动学和动力学的常见步行活动，帮助截肢患者在水平地面和楼梯上行走。
相关研究论文以“A lightweight robotic leg prosthesis replicating the biomechanics of the knee, ankle, and toe joint”为题，以封面文章的形式发表在科学期刊Science Robotics上。犹他大学机械工程系助理教授Tommaso Lenzi为该论文的通讯作者。
据介绍，该仿生腿充满一次电预计可以支持截肢患者行走15460步，适用于身高在1.60-1.91米之间、体重在59-91公斤之间的截肢患者。
顾名思义，仿生腿能通过模仿缺失肢体的生物力学，来改善肢截肢患者的活动能力和生活质量。然而，在以往的研究中，大多数膝上截肢患者使用的假肢都是由微处理器控制的被动装置，不能很好地复制缺失生物腿的关键生物力学功能。
另外，生物力学模拟和非计算机个体实验表明，腿部踝关节在行走过程中可以提供相当大的净正能量。如果踝关节受损或缺失，截肢患者必须通过增加残肢和完整肢体的力量，来补偿缺失的踝关节能量，从而形成不自然、不对称、甚至无效的步态模式。因此，对于截肢患者而言，穿戴普通假肢行走是比较吃力的，在爬楼梯、爬斜坡、站起来、坐下等方面也更具挑战性。
尽管传统的动力假肢可以为截肢患者提供一定的动力，但也存在比被动假肢更重、更大以及电池寿命更短等问题，在临床可行性和实用性等方面受到了很大的限制。在此次研究中，Lenzi团队更进一步，在矢状面上复制了生物学膝盖、脚踝和脚趾的关键生物力学功能，在重量、尺寸和电池寿命方面也达到了传统微处理器控制假肢的水准。在穿戴者行走过程中，欠驱动系统不仅会再生大量的机械能，也会复制脚踝/足部复合体的关键生物力学功能。
而且，所有机械和电气组件都被整合到一个紧凑的假体框架内，增加了仿生腿的鲁棒性和效率。当切换为被动模式时，穿戴者每迈出一步，仿生腿就可以再生2J的电能，即使电池耗尽，也可以无限地行走。
然而，尽管该仿生腿展现出了优于其他机械假腿的性能，但仍然存在一些需要改进的方面。例如，该仿生腿不能单独控制脚踝和脚趾关节，脚踝和脚趾扭矩之间的比例是固定的，不能根据用户的需要或偏好进行更改。
仿真结果表明，弹性更强的弹簧可以提高动态性能和电气效率，但更长的弹簧也意味着踝关节和脚趾关节的活动范围的减少。而且，即使采用了欠驱动设计，趾关节的加入也会增加该仿生腿的重量。因此，有必要开展有趾关节和没有趾关节或不同脚踝/趾扭矩比的对比试验，来评估趾关节对临床结果的影响。另外，类似于大多数微处理器控制和动力踝关节/假肢，该仿生腿设计没有正面平面驱动。
尽管增加正面平面驱动可能会增加假体的尺寸和重量，但也可能改善临床结果，特别是当走在斜坡和崎岖的地形上时，还需要进更多的试验来做进一步验证。或许，要满足每个人都能定制使用的需求，还有一段路要走。