一代仿生运动员——平等的假肢

对于化妆品和功能，用假肢替换缺失的身体部位（希腊语表示 附件 ) 一直是必需品。由于引入了通过肌肉活动激活假肢的肌电传感器，当前的技术超越了肢体的机械更换，将其提升到生物力学。在这里，我们将重点关注构成假肢的材料，尤其是为运动而设计的材料，而不是电子产品。

假体进化

回到过去，截肢是治疗肢体严重伤口的唯一方法。 然而，缺肢的替换是罕见的，并且是为贵族保留的。第一个记录在案的假肢是在埃及发现的。那里有一具公元前 950 年左右的木乃伊。一位贵妇人被发现用木头和皮革制成的假脚趾和一个雕刻的脚趾甲作为缺失部分的复制品（图 1）[1]。

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图 1. 公元前 959 年的审美手指发现于埃及[2]。

在中世纪，假肢开始变得更加实用（图 2）。在战斗中失去双臂的人，他们的肢体被一种铁装置取代，该装置具有允许他们在战斗中放置盾牌的元素。与此同时，在船上，水手们的前臂被著名的钩子取代，腿被木棍取代，这两种材料在船上都很容易获得。

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图2.中世纪的铁义肢[1]。

第一个功能性假体是由法国外科医生 Ambroise Paré 在 16 世纪构思的。假肢包括弯曲的膝盖，能够在站立时被锁定，以及允许骑马的法国船长抓住和释放缰绳的手 [3]。在 17 世纪，荷兰外科医生 Pieter Verduyn 在他的假肢中加入了关节以及更好地附着在腿上。后来，假肢包括弹簧来模拟肌肉和肌腱。在 1990 年代，微处理器 用于控制假肢的膝关节运动 ，并且传感器记录移动假体的肌电刺激（图 3）[3]。

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图 3 股骨假体历年演变[3].

三个主要组成部分

假肢可以替换四个不同的身体部位 因其位置而命名：经肱骨、经桡骨、经胫骨和经股骨。与它们的应用和放置无关，假肢需要很轻以方便使用（假肢的重量与原始假肢一样没有帮助，即两只手臂的体重分别为 10% 和 30-40% 和两条腿，分别）。

假体由三个主要部件（悬架、挂架和承窝）组成，在假体类型（美观或功能）和位置方面通常保持相同[4]。

套接字 是连接到残肢的假肢部分。为了保证使用者的舒适度和假肢的整体效率，承窝不刺激残肢皮肤并能传递冲击力或力是至关重要的。插座通常由聚丙烯制成，取代了以前使用的羊毛。

暂停 是塔架和插座之间的连接点。保持挂架与残肢的连接至关重要，通常采用抽吸的方法来产生真空并保持两个部分的连接。

塔 是假体的核心。通常，它由钛或碳纤维（比钢更有弹性、更轻、更坚固）制成，取代了过去使用的木材。塔架上通常覆盖着与天然皮肤颜色相匹配的柔软材料。

运动中的假肢

二战后，截肢者参与体育活动成为他们回归常态的机会，增加了他们的幸福感和社会包容感。因此，在缺肢置换后，在运动用假体的优化方向上又迈进了一步。

这种发展主要以跑步着称。在 1980 年代，西雅图足部是为更剧烈的身体活动而设计的首批假肢之一（图 4）。由聚氨酯外壳包围的内部柔性 Delrin（一种具有金属和塑料特性的结晶塑料）龙骨充当弹簧，返回部分能量 [5]。

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图 4 西雅图脚断面[6]。

利用 Flex-Foot（图 5）和 Re-Flex VSP，下肢截肢者能够实现更节能的跑步。事实上，碳纤维的引入允许更多地用脚趾跑，这是普通跑步者的一个特征[7]。特别是，与其他由聚氨酯或聚缩醛制成的假体相比，Flex-Foot 显示出最高的能量回报率 [5]。

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图 5. Flex-Foot 假肢 [8].

最近，南非奥斯卡·皮斯托瑞斯（Oscar Pistorius）的名字登上了头条，他是第一位参加奥运会的双截肢运动员，并引发了关于技术兴奋剂的争论（图 6）。短跑选手使用了 Cheetahs ，由医学工程师范菲利普斯发明。它们的形状是为向前设计的，因此不包括鞋跟。

根据 Josh McHugh [9] 的说法，“猎豹似乎会自行弹跳。站在他们身上是不可能的，也很难缓慢地移动。一旦他们开始行动，猎豹就非常难以控制。”原因在于猎豹是由碳纤维增强聚合物（作为粘合碳纤维的聚酯、环氧树脂或尼龙）制成的。根据纤维的方向和密度，可以给出不同的刚度等级。

碳纤维起到弹簧的作用，在每一步中储存和释放运动员的动能。特别是，在正相和负相之间，踝关节机械功的比值对于猎豹为 0.907，而健康运动员为 0.401[7]。

膝盖的机械功高出 11 倍和 8 倍 在消极和积极的阶段， 分别地，在猎豹中比在能干的运动员中[7]。由于假肢具有增强的弹性特性，残奥跳远运动员在跳跃过程中使用假肢起跳。

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图 6. Oscar Pistorius 开始佩戴猎豹假肢[10]。

跑步时，经股截肢运动员的劣势更多 比经胫骨的。 主要原因在于膝关节由于其高度复杂性而难以机械复制。跨股骨运动员跑步的特点是在能够侧和不能侧之间的摆动阶段不对称高达 36% [11]。因此，已经提出了不同的解决方案来解决惯性在恢复阶段影响假体加速度的问题。

不只是跑步

运动假肢的发展不仅限于跑步领域。通常，下肢假肢用于滑雪等需要直立姿势的运动，而上肢假肢用于划船或骑自行车等运动。 在后者中，武器提供的推进力和稳定性是必不可少的。对于许多运动来说，假肢的适应并不是必须的，但在大多数情况下，它是[11]。

在骑自行车 ，需要允许上肢的假肢折断和换档。一个标准的打开/关闭机制就足够了。然而，对于竞技自行车，假肢也应保证运动员能够改变他/她在手柄上的位置 [11]。对于山地自行车，减震器可以减少传递到手柄的骑行振动（图 7）。

对于下肢，有利于走路和跑步的蓄能脚 构成自行车运动的一个缺点，由于它们的弹性而不允许适当的推进[11]。一般来说，一个正常的下半身假体足以保证推力。尽管如此，仍需要考虑一些调整，例如更宽的踏板和弯曲以将假肢固定到踏板上。

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图 7. 山地自行车上身假体的活塞适配[12]。

只要是防水假肢，上肢和下肢单侧截肢者通常可以毫无问题地游泳。 然而，为了提高效率，鳍状肢经常直接连接到健全肢体的插座上（图8），并且与健全肢体的长度相同[11]。

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图 8 鳍状肢适应游泳[12].

此外，Bartlett Tendon Universal Knee 和 XT9 是用于极限运动的假肢，从滑雪到单板滑雪 和摩托车 .这两种假肢都是由在事故中失去四肢的运动员发明的。

未来

耐克、阿迪达斯和其他公司一直在开发他们的运动假肢。阿迪达斯利用碳纤维、山梨烷（一种聚氨酯）和铝等材料创建了共生义肢系列 [13]。耐克转而开发可以与 Ossur 的碳纤维刀片连接的假肢，提供稳定性、能量回馈和恢复等好处（图 9）。

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图 9. Nike 假体 [13].

为了降低运动和正常使用假肢的价格，3D打印已被用于生产。与普通假肢一样，3D 打印假肢由聚丙烯、聚乙烯、丙烯酸树脂和聚氨酯等塑料制成，内塔由钛、铝或碳纤维制成。

运动假肢和正常使用的未来似乎在于骨整合，即使用钛将假肢直接附着在截肢者的骨骼中。然而，骨整合存在优点和缺点。没有插座将允许减少对皮肤的不适和压力。 另一方面，感染的风险很高 患者应每天照顾基台皮肤区域，有可能无法进行跳跃或跑步等活动。