仿生运动员：前沿假肢赋能竞技平权

无论美观或功能，用假肢(希腊语附着意)替代缺失肢体始终是刚需。当前技术超越单纯机械替代，随肌电传感器引入通过肌肉活动激活假肢，进阶为生物力学层面。本文聚焦假肢构成材料，特别是运动假肢材料，而非电子部分。

假肢演进

远古截肢是肢体严重创伤唯一治疗。但缺肢替代罕见且限贵族。首个记录假肢发现于埃及。约公元前950年贵族女性木乃伊带木制皮革假脚趾、雕刻指甲复刻缺失部分(图1)[1]。

图1. 公元前959年埃及发现美容手指 [2]。

中世纪假肢开始更功能化(图2)。战场断臂者装铁制装置可战斗中放置盾牌。船上水手前臂换著名钩子、腿换木棍，均为船上易得材料。

图2. 中世纪铁制假臂 [1]。

16世纪法国外科医生Ambroise Paré构想首个功能性假肢。含可站立时锁定弯曲膝、允许骑马法兰西队长握缰释缰的手[3]。17世纪荷兰外科医生Pieter Verduyn在假肢加入关节节点及更好腿部固定。后来假肢含弹簧模拟肌肉肌腱。1990年代微处理器引入控制假肢膝关节运动，传感器记录肌电刺激驱动假肢(图3)[3]。

图3. 跨股假肢历年演进 [3]。

三大核心组件

假肢可替代四个不同身体部位按位置命名：跨肱、跨桡、跨胫、跨股。不论应用部位，假肢须轻量化便于使用(人工肢重若原肢无帮助，即双臂占体重10%、双腿占30-40%)。

假肢由三大组件组成(悬吊系统、支柱、接受腔)无论美观或功能类型及位置基本不变[4]。

接受腔连接残肢。为保用户舒适和假肢总效率，接受腔不得刺激残肢皮肤且能传递冲击力。接受腔通常用聚丙烯取代早期羊毛。

悬吊系统连接支柱和接受腔。对保持支柱连接残肢至关重要，通常用吸附法制造真空维持连接。

支柱是假肢核心。典型由钛或碳纤维制成(比钢更韧、轻、强)，取代早期木材。支柱常覆盖匹配肤色软材料。

运动假肢

二战后，截肢者参与体育活动成回归常态契机，提升福祉和社会融入感。因此替代缺肢后，进一步优化假肢用于运动。

此发展最著名于跑步。1980年代最早为剧烈体力活动创造的假肢是Seattle Foot(图4)。内部柔性Delrin(介于金属塑料间结晶塑料)龙骨被聚氨酯外壳包裹作弹簧回馈部分能量[5]。

图4. Seattle Foot剖面 [6]。

利用Flex-Foot(图5)和Re-Flex VSP，小腿截肢者实现更高能效跑步。碳纤维引入使前脚掌着地成为可能，这是正常跑者特征[7]。特别是Flex-Foot在聚氨酯或聚缩醛假肢中显示最高能量回馈比[5]。

图5. Flex-Foot假肢 [8]。

近期南非Oscar Pistorius成首位参加奥运会双截肢运动员引发技术兴奋剂辩论(图6)。短跑选手用医学工程师Van Phillips发明Cheetahs。其形状专为前进设计，无后跟。

据Josh McHugh[9]，“Cheetahs似自行弹跳。无法静立其上，难慢动。一旦启动，极难控制。”原因在于Cheetahs由碳纤维增强聚合物制成(聚酯、环氧或尼龙粘结碳纤维)。按纤维方向密度可赋予不同刚度等级。

碳纤维作弹簧，每步存储释放运动员动能。特别是踝关节负/正相位机械功比Cheetahs为0.907，健全运动员0.401[7]。

膝关节负/正相位机械功分别为健全运动员11倍和8倍[7]。因人工肢增强弹性特性，残奥会跳远运动员用假肢起跳。

图6. Oscar Pistorius起跑穿Cheetah假肢 [10]。

跑步时，跨股截肢运动员劣势大于跨胫者。主因膝关节高复杂性难机械复现。跨股运动员跑步摆动相位健/残侧不对称达36%[11]。故提出不同方案解决恢复相位惯性影响假肢加速问题。

不止跑步

运动假肢演进不限跑步世界。通常下肢假肢用于需直立项目如滑雪，上肢假肢用于赛艇或自行车。后者手臂推进稳定关键。许多运动无需改装假肢即可参与，但大多数情况需改装[11]。

自行车中，上肢假肢需允许刹车换挡。标准开合机制通常足矣。但竞技自行车要求假肢保证运动员变换车把位置[11]。山地车可加减震器减少传递车把振动(图7)。

下肢方面，利于行走跑步的储能足在骑行中成劣势，因弹性不允许有效蹬踏[11]。通常常规下肢假肢足保证推进力。仍需考虑改装如加宽踏板、弯曲固定假肢于踏板。

图7. 上肢假肢山地车活塞改装 [12]。

单侧上下肢截肢者通常游泳无碍，前提假肢防水。 为提效率，脚蹼常直接固定健侧接受腔(图8)且长度等同健肢[11]。

图8. 游泳脚蹼改装 [12]。

此外，Bartlett肌腱通用膝和XT9用于极限运动，从滑雪单板到摩托车越野。两假肢均由事故失肢运动员发明。

未来展望

Nike、Adidas等公司开发运动假肢。Adidas创Symbiosis假肢线用碳纤维、Sorbothane(聚氨酯)、铝[13]。Nike转向开发可接驳Ossur碳纤维刀锋足假肢，提供稳定、能量回馈、恢复益处(图9)。

图9. Nike假肢 [13]。

为降低运动和日常假肢成本，3D打印用于生产。如同普通假肢，3D打印假肢用聚丙烯、聚乙烯、丙烯酸、聚氨酯等塑料，内芯钛、铝或碳纤维。

运动假肢和日常假肢未来似在骨整合，即用钛将假肢直接植入截肢者骨骼。但骨整合利弊并存。无接受腔将减少不适和皮肤压力。另一面感染风险高，患者须日常护理基台皮肤区，可能无法跳跃跑步。