Energy Storage Characteristics of Leaf and Bioinspired Saddle Shaped Springs for Ankle–Foot Prostheses

歩行とは、エネルギーの律動的な交換である。一歩踏み出すごとに、人間の身体は足が接地する際に機械的エネルギーを蓄え、次のステップへと押し出すためにそれを放出する。足を失ったり脚の一部を失ったりした人々にとって、義肢はこの繊細なプロセスを再現しなければならない。今日最も一般的な解決策は、しばしば葉のような形をした、単一の湾曲した複合素材で作られた義足である。この「リーフスプリング」は体重によってたわみ、コイル状のスプリングのようにエネルギーを蓄え、そして跳ね返ることで装着者の動きを助ける。これらの装置は軽量で効果的ではあるが、根本的な限界がある。それは、一方向にしか曲がらないため、ストレスが狭い帯状の部分に集中してしまうことだ。この局所的な歪みは材料の疲労を招き、装置が安全に蓄積・放出できるエネルギーの量を制限してしまう。

セントラルフロリダ大学とミシシッピ州立大学の研究者たちは、より優れた設計のために自然界に目を向けた。彼らが注目したのは、驚異的な力強い一撃で知られる海洋捕食者、シャコである。シャコのクラブ状の付属肢は、二つの方向に同時に湾曲したサドル型の構造によって補強されている。この「二重に湾曲した」幾何学形状により、殻は力を一点に集中させるのではなく、その表面全体に分散させることができる。この生物学的な効率性に触発され、チームは、同様の二重湾曲形状で構築された義足が、従来の単一湾曲リーフスプリングよりも優れた性能を発揮できるかどうかを検証することにした。彼らの目標は、単に曲がる足を作ることではなく、より多くのエネルギーを蓄え、より長持ちし、そして本物の人間の足首のように動く足を作ることであった。

このアイデアをテストするために、チームは2つの義足の仮想モデルを作成した。一つは標準的な単一湾曲リーフ設計を用いたもので、もう一つは新しいバイオインスパイアード（生物模倣）なサドル形状を用いたものである。公平な比較を行うために、両方のモデルの材料と寸法を慎重に調整し、ユーザーにとって同じような硬さ（剛性）を感じるようにした。強力なコンピュータシミュレーションを用い、歩行中に人が加える力、具体的には足が前方に転がり、足首が上方に曲がる際に発生する圧力を適用した。そして、それぞれの設計がどれだけのエネルギーを蓄えられるか、そして内部のストレスが材料全体にどのように分布しているかを測定した。

結果は、二重湾曲設計の明確な優位性を明らかにした。両方のスプリングを同じ角度まで曲げたとき、サドル型のスプリングは従来のリーフスプリングよりも大幅に多くのエネルギーを蓄えた。具体的には、通常の歩行で使用される可動域内において、サドル設計は最大16パーセント多くの歪みエネルギーを保持した。さらに印象的なのは、材料自体の効率性である。研究者たちは、サドル型のスプリングが、リーフスプリングと比較して、体積あたりのエネルギーを約3倍多く詰め込めることを発見した。これは、同じ量の材料を使用した場合、新しい設計の方がより多くの仕事ができること、あるいは逆に、同じ性能をより少ない材料で達成できることを意味しており、義足をより軽量にできることを示唆している。

生のエネルギー蓄積を超えて、この研究は、二つの形状がストレスをどのように扱うかにおける決定的な違いを浮き彫りにした。従来のリーフスプリングでは、曲げの力がカーブの中央部に鋭い応力集中を生じさせ、それが時間の経過とともに亀裂が発生しやすい弱点となる。対照的に、サドル型のスプリングは、その表面全体にストレスを非常に均一に分散させた。この均一な分布は、新しい設計が日常の歩行による繰り返しの摩耗に対してはるかに耐性があり、潜在的により長く持続し、ユーザーに高い信頼性を提供できることを示唆している。また、二重の曲率は、曲がるにつれて構造が自然に硬くなる性質を可能にし、これは地面を蹴り出す際に生物学的な足首が硬くなる様子を密接に模倣しており、より自然な歩行体験を提供する。

研究者たちは、従来のリーフスプリングの実世界のテストに対してコンピュータモデルを検証し、シミュレーションが正確であることを確認した。サドル型のスプリング設計はまだ製作され、人間への被験者テストが行われてはいないが、シミュレーションは、このバイオインスパイアードな幾何学形状が優れた機械的解決策であることを示す強力な証拠を提供している。この二重湾曲表面のユニークな特性を活用することで、この新しいアプローチは、より軽量でエネルギー効率が高く、かつより耐久性があり、人間の身体の自然な機能に近い次世代の義足をもたらす可能性がある。