利用支持微流控的柔性機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型假肢

全球每30秒就有人因糖尿病而被截肢整條腿。這些患者通?；加猩窠?jīng)病變，下肢喪失知覺(jué)，無(wú)法覺(jué)察到由不合適的假體造成的損傷，最終慘遭截肢。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，加拿大科學(xué)家利用支持微流控的柔性機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型假肢，有望大大減少腳踝到膝關(guān)節(jié)間截肢患者的皮膚潰瘍和疼痛。該項(xiàng)研究以“Air microfluidics-enabled soft robotic transtibial prosthesis socket liner towards dynamic management of residual limb contact pressure and volume fluctuation”為題發(fā)表于美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版社（AIP Publishing）出版的《生物微流體》（Biomicrofluidics）期刊。

基于微流控的柔性機(jī)器人假肢制造過(guò)程示意圖

全球超過(guò)80%的患者下肢截肢是由糖尿病足潰瘍引起的，眾所周知，糖尿病并發(fā)癥會(huì)引起下肢不確定時(shí)間的水腫，使其體積增大10%或更多。

用于下肢截肢者的微流控柔性機(jī)器人假肢原型的概念驗(yàn)證圖（左）和原型照片（右）（來(lái)源：滑鐵盧大學(xué)滑鐵盧微流控實(shí)驗(yàn)室）

通常，截肢后使用的假肢含織物和硅膠襯墊，患者可通過(guò)增加或移除它們來(lái)提高其貼合度。截肢者需要手動(dòng)更換襯墊，但神經(jīng)病變導(dǎo)致感覺(jué)不靈敏，使更換襯墊變得困難，這可能導(dǎo)致殘肢部位更多的損傷。

該論文的合著者、滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）的Carolyn Ren說(shuō)：“我們并不是創(chuàng)造了一種新型的假肢承窩，而是用集成了柔性流體致動(dòng)器的單層襯墊取代了傳統(tǒng)的硅、織物假肢襯墊，該新型襯墊作為接口層。這些致動(dòng)器是根據(jù)殘肢的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，在不同的壓力下充氣，以減輕假肢佩戴者的疼痛感并防止壓瘡。”

科學(xué)家們從一種最近開(kāi)發(fā)的裝置著手，該裝置使用氣動(dòng)致動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)假肢承窩的壓力。這個(gè)原始裝置相當(dāng)笨重，限制了其在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，該科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種使致動(dòng)器小型化的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)帶有10個(gè)集成氣動(dòng)閥門(mén)的微流控芯片來(lái)控制每個(gè)致動(dòng)器。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)微型氣泵和兩個(gè)向微流控芯片提供空氣的電磁閥控制。該控制箱小且輕，可以作為假肢的一部分佩戴。

該團(tuán)隊(duì)包括在假肢裝置方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)務(wù)人員，他們提供了一份假肢承窩所需壓力的詳細(xì)圖解。研究小組對(duì)每個(gè)致動(dòng)器提供的接觸壓力進(jìn)行了廣泛的測(cè)量，并將這些數(shù)據(jù)與可以正常使用的假肢所需的壓力進(jìn)行了比較。

研究發(fā)現(xiàn)，10個(gè)致動(dòng)器均能產(chǎn)生預(yù)期范圍內(nèi)的壓力，這表明新設(shè)備將在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中運(yùn)行良好。未來(lái)的研究工作，將在更逼真的生物模型上測(cè)試該方案。

該科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步研究，將壓力傳感器直接集成到假肢襯墊中，可能會(huì)使用含有壓力傳感材料的新型柔軟針織織物。

論文鏈接：
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0087900

審核編輯 ：李倩