用于可穿戴设备的动态自适应软质超材料
2025-04-14 AZO Materials图片来源:Hryshchyshen Serhii/Shutterstock.com
由于慢性疾病或受伤而导致的肢体丧失是一个日益严重的医疗保健问题。大多数截肢患者依靠假肢来恢复运动或执行日常任务。虽然机器人肢体已经取得了重大进展,但获得舒适和安全的贴合仍然是一个挑战。
当前假肢主要采用硬质聚合物接受腔搭配软质内衬的固定方式。这些接受腔通常需要通过耗时的石膏取型工艺定制完成。然而即便经过个性化适配,残肢形态随时间推移仍会发生变化,最终导致接受腔匹配度下降和佩戴不适等问题。
该研究提出了一种名为Roliner的创新适配衬套,可与标准假肢接受腔配合使用。这种可重构柔性材料旨在实现三大突破:提升假肢适配精度、缓解穿戴不适感,以及避免接受腔频繁更换的痛点。
研究团队在Adobe Illustrator中设计了一个六边形流体图案,并将其打印在蜡纸上,蜡纸在制造过程中充当占位符。将硅胶倒入模具中并部分固化,使蜡纸在最终固化材料内形成流体通道。
为评估材料力学性能,研究人员制备了两组各12个哑铃形试样(直径45毫米),均采用织物基底。试样中心区域距织物层1毫米处设有蜡纸通道,通道面积分别为3平方厘米与6平方厘米两种规格。
所有样品均在20.9°C和55%相对湿度的房间中放置24小时。测试前,对样品进行预处理,并在润滑下进行10分钟的循环压缩。
该团队使用材料试验机测量了拉伸弹性(TE)、压缩弹性(CE)和体积弹性(VE)。这些指标有助于评估材料的可拉伸性、可压缩性和适应形状变化的能力。
为了测量驱动力(FA),即流体通道加压时向内施加的力,他们使用了带有嵌入式通道的柔性硅胶板,平放在两块铝板之间。通过分析压力曲线如何随着通道的扩张而变化,该团队可以估计残肢和假肢接受腔之间的间隙。这对于远程体积映射和自动拟合反馈可能很有用。
最后,研究人员对18至60岁的参与者进行了临床前试验。这些试验评估了Roliner 在日常条件下的性能,侧重于舒适度、可用性和压力控制。
虽然Roliner的初始成本可能高于传统的被动衬板,但长期节省的成本可能是可观的。减少对新接受腔配件和门诊就诊的需求可能会降低总体医疗保健成本。更重要的是,Roliner有可能大大提高截肢者的日常舒适度和活动能力。
展望未来,研究人员计划将柔性电极集成到Roliner设计中。这可以实现对物理和生化信号的连续、非侵入性监测,为更广泛的可穿戴健康应用打开大门。