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牛津大学最新技术:呼吸动力假肢控制系统 | MDPI Prosthesis

已有 653 次阅读 2022-9-27 15:54 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

文章导读

牛津大学的研究人员开发出一种革命性的新型假肢,由使用者的呼吸提供动力并控制。该研究成果于 2022 年 7 月 29 日通过牛津大学推广平台与 Prosthesis 期刊联合发布,随后被各大科学媒体争相报道。这种新型空气动力手部假肢提供了一种轻便、低维护和易于使用的身体动力假肢,特别适合儿童,尤其是低收入和中等收入国家的儿童。


这种简单轻便的装置是鲍登 (Bowden) 电缆驱动的身体动力假肢替代品,这类假肢最初是在 19 世纪早期开发的,特别适合那些太年轻或解剖学上不适合使用线束和电缆系统的人。 


研究过程

资深作者 Jeroen Bergmann 教授 (牛津大学工程科学系) 说:“我们的呼吸动力装置提供了一种新的假肢选择,可以在不限制用户任何身体动作的情况下使用。”这是自两个多世纪前电缆驱动系统出现以来,第一个真正为身体驱动的假肢提供动力和控制的新设计方法。


尽管目前存在几种不同的假肢选择 (适用性取决于上肢的差异程度以及其他因素),但与复杂的外部动力假肢相比,在开发身体动力设备的动力和控制新方法方面进展甚微。目前应用最广泛的功能性上肢假体仍然是由电缆驱动的身体动力系统——在资源匮乏的环境下,拥有和维护这种系统的成本非常昂贵,因为需要进行必要的专业安装和维护。


该新技术方法,为用户提供了一种可替代的身体动力装置,成本、维护、舒适度和易用性是该装置主要考虑因素。通过调节他们的呼吸,用户可以为一个专门建造的小型特斯拉涡轮机提供动力,该涡轮机可以精确地控制假肢手指的运动。驱动装置所需的空气量可以由儿童实现,装置中的传动装置决定抓取动作的速度。无需电缆和线束,该设备重量轻,适合仍在成长中的儿童和青少年。与其他假体选择相比,该设备只需要最小的维护和训练,并且使用方便。

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图1. 特斯拉涡轮设计的流体流动分析模型。流动在半径 ri 处进入,在半径 ro 处从中心出口流出。间隙由 b 给出,Ω 为圆盘的转速,流体的绝对速度由 U 给出,下标 θ 反映柱坐标系中的方位方向。

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图2. 模块化变速箱设计原理图。

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图3. 呼吸动力假体装置演示模型。(A) 演示笔头动态握持功能。(B) 由一名9岁的志愿者演示呼吸动力关闭终端设备。


研究人员一直在与 LimbBo 合作,开发和改进这种设备。LimbBo 是一家总部位于英国的领先慈善机构,专门为患有肢体差异的儿童服务。LimbBo 的受托人 Jane Hewitt 说:“我们成立 LimbBo 基金会的目的之一是确保所有孩子都能接触到任何有助于他们日常生活的设备。没有任何两个肢体的差异是相同的,对一个孩子有帮助的东西对另一个孩子也不一定适合。 目前,在义肢方面有一些可供选择的设备,但仍有一些儿童需要完全不同的方法。我们很高兴有机会和 Jeroen Bergmann 教授一起研究不同的方法。 对我们的许多孩子来说,这是一个令人兴奋的进步。”


总部位于印度班加罗尔的非政府组织 Mobility India 与研究人员一起进行用户测试,该组织的一位发言人说:“这种以呼吸为动力的假肢 (Airbender) 有可能为儿童和青少年拓宽假肢选择,尤其是在印度和其他缺乏适当技术的发展中国家。”


未来展望

该研究的第一作者、牛津大学工程科学系的 Vikranth H. Nagaraja 博士说:“据估计,全球有超过 4000 万人存在肢体差异,其中大多数人没有任何形式的假肢护理。此外,上肢义肢目前提供给患者的往往既不容易支付也不非常适合,特别是在资源匮乏的情况下。我们希望我们的研究代表着一种进步,使义肢更容易获得,并帮助克服现有选择的挑战。”


原文出自 Prosthesis 期刊

Nagaraja, V. H.; Lopes, J. P.; Bergmann, J. H. Reimagining Prosthetic Control: A Novel Body-Powered Prosthetic System for Simultaneous Control and Actuation. Prosthesis 20224(3), 394-413.


Prosthesis 期刊介绍

主编:Marco Cicciu, University of Messina, Italy

期刊旨在为医学领域提供跨学科的方法,内容涉及康复医学相关的主题文章,并与物理、数学、工程及材料科学有广泛交叉。期刊涵盖范围包括但不限于:假肢;人工关节;假牙修复术;人造心脏瓣膜;应用于身体重建医学的假体和装置;假体设计、控制与生物力学;假体寿命;假体感染;应用于假体定制的 CAD、CAM、3D 打印等技术;医疗设备和管理。目前已被 Scopus、ESCI (Web of Science) 等数据库收录。

Time to First Decision:21.5 Days

Time to Publication:46 Days

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