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

行走是一种节奏性的能量交换。在每一步中，人体都会在足部着地时储存机械能，并在迈向下一步时将其释放。对于失去足部或部分腿部的人来说，人工肢体必须模拟这一精细的过程。目前最常见的解决方案是由单块弯曲的复合材料制成的假足，通常形状类似于一片叶子。这种“叶片弹簧”在身体重量的作用下弯曲，像卷曲的弹簧一样储存能量，然后回弹以帮助使用者移动。虽然这些设备轻便且有效，但它们有一个根本性的局限：由于它们只能向一个方向弯曲，应力会集中在一个狭窄的区域。这种局部应变会导致材料疲劳，并限制了设备能够安全储存和返回能量的程度。

中佛罗里达大学和密西西比州立大学的研究人员从自然界中寻找更好的设计。他们将注意力转向了螳螂虾，这是一种以极具力量感的打击而闻名的海洋捕食者。这种虾的棒状附肢由一个同时在两个方向上弯曲的鞍形结构加固。这种“双曲面”几何形状使外壳能够将力量分布在整个表面，而不是集中在某一点。受这种生物效率的启发，研究团队旨在测试使用类似的双曲面形状制造的假足是否能优于传统的单曲面叶片弹簧。他们的目标不仅是制造一个会弯曲的足部，而是要制造一个能储存更多能量、更耐用，且运动起来更像人类真实踝关节的足部。

为了测试这个想法，团队创建了两种虚拟的假足模型：一种使用标准的单曲面叶片设计，另一种使用新型的仿生鞍形设计。他们仔细调整了两个模型的材料和尺寸，使它们对使用者而言感觉同样僵硬，从而确保比较的公平性。利用强大的计算机模拟，他们施加了人在行走时所施加的相同力量，特别是当脚向前滚动且踝关节向上弯曲时产生的压力。随后，他们测量了每种设计可以储存多少能量，以及内部应力是如何在材料中分布的。

结果显示，双曲面设计具有明显的优势。当两个弹簧弯曲到相同的角度时，鞍形弹簧储存的能量明显高于传统的叶片弹簧。具体而言，在正常行走所使用的运动范围内，鞍形设计多储存了高达16%的应变能。更令人印象深刻的是材料本身的效率。研究人员发现，与叶片弹簧相比，鞍形弹簧在单位体积内储存的能量大约是其三倍。这意味着对于相同数量的材料，新设计可以完成更多的功；或者反过来说，它可以用更少的材料达到同样的性能，从而使假肢更轻。

除了原始的能量储存能力外，研究还强调了两种形状在处理应力方面的关键差异。在传统的叶片弹簧中，弯曲的力量会在曲线中间产生尖锐的应力集中，这是一个容易产生裂纹的薄弱点。相比之下，鞍形弹簧将应力更均匀地分布在整个表面。这种均匀的分布表明，新设计将对日常行走的重复磨损具有更强的抵抗力，从而可能提供更长的使用寿命和更高的可靠性。双曲率还允许结构在弯曲时自然变硬，这种行为密切模仿了生物踝关节在蹬地时变硬的过程，从而提供更自然的行走体验。

研究人员通过对传统叶片弹簧进行现实世界的测试，验证了他们的计算机模型，确认了模拟的准确性。虽然鞍形弹簧设计尚未在人体上进行制造和测试，但模拟实验提供了强有力的证据，证明这种仿生几何形状提供了一种更优越的机械解决方案。通过利用双曲面结构的独特特性，这种新方法有望引领下一代假足的发展，使其不仅更轻、更高效，而且更加耐用，并更接近人体的自然功能。