人工膝關節代表了膝上截肢康復的普遍解決方案。然而，要滿足用戶的步行需求，并實現輕量化、仿生、減震、以用戶為中心的舒適需求，仍然很困難。

軟材料似乎提供了替代方案，因為它們的特性有利于舒適度。但是，在形態計算和承重性能方面，顯著的靈活性限制了軟機器人在假肢膝蓋上的應用。

2024年12月30日，北京大學王啟寧教授在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Bioinspired origami-based soft prosthetic knees》的研究論文，博士生高思源為論文第一作者，王啟寧教授為論文通訊作者。

王啟寧，北京大學工學院教授、副院長，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才（2020），科技部中青年科技創新領軍人才（2019），國家優青（2019）。2004年本科畢業于中國地質大學（北京），2009年獲北京大學博士學位，同年留校工作，2021年晉升為長聘教授。

王啟寧教授的研究領域包括機器人動力學與控制，智能人機交互，神經接口與康復工程，力觸覺感知，醫療機器人及可穿戴系統應用。

在這里，作者為經股截肢者創新了一種軟質假肢膝關節，通過折紙技術和仿生承重原理的結合來解決當前的挑戰，實現其輕質、緊湊、低成本和簡單的制備。

測試發現，軟膝可以承受一個人的重量（超過75公斤），并執行仿生多中心屈曲，吸收行走過程中的沖擊力（吸收的沖擊力比之前多11.5％至17.3％），主動支撐截肢者走過坡道、樓梯和地面障礙物。作者所提出設計的有效性已通過臺式和移動實驗得到證實。

該方案可能會實現下肢假肢設計的范式轉變。

圖1：基于折紙技術的軟性假膝

圖2：受馬尾啟發的穩定軟結構

圖3：軟膝的運動學和動力學臺架實驗性能

圖4：使用軟膝和日常使用的剛性膝在跑步機上行走的實驗結果

圖5：使用軟性假膝進行不同步行任務

綜上，作者介紹了一種基于折紙技術和仿生承重原理設計的軟性人工膝關節，用于膝上截肢者的康復，實現了輕量化、緊湊、低成本和簡單制造，能夠承受超過75公斤的重量，模擬生物膝關節的多中心彎曲，并在行走中吸收沖擊，支持截肢者跨越坡道、樓梯和障礙物。

這項研究提供了一種新型的軟性膝關節解決方案，具有潛在的顛覆性意義，可能引領下肢假肢設計的新范式，對于提高截肢者的生活質量和自理能力具有重要應用前景。

Gao, S., Yang, C., Chen, H.?et al.?Bioinspired origami-based soft prosthetic knees.?Nat. Commun., (2024).