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2025
科技有爱
共创美好世界
3月29日
由中国残联主办、北京市残联承办的
2025中关村论坛年会
科技助残平行论坛在北京举行
论坛发布了15个 2025科技助残创新案例
今天
让我们一起来看看
北京大学王启宁团队的
“折纸软体动力膝关节假肢”
北京大学王启宁团队
技术名称：折纸软体动力膝关节假肢
技术内容：国际首个软体膝关节假肢，采用仿马尾草抗弯折机制的折纸结构设计，体积重量小，缓冲性强、仿生性强，让残疾人行走更舒适省力。
北京大学工学院先进制造与机器人系王启宁教授课题组在智能动力下肢假肢方面取得重要突破，提出一种受马尾草启发的折纸软体动力膝关节假肢，这是国际首款软体膝关节假肢。研究为下肢假肢的设计提供了全新的思路，研究成果以“Bioinspired Origami-based Soft Prosthetic Knee”为题，发表在国际重要期刊Nature Communications上。
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相关研究成果已刊发在国际重要学术期刊上
膝关节假肢设计的主要目标是既满足残疾人日常基本的行动功能需求，如在平地、崎岖路面、楼梯、斜坡上行走等功能，又保证用户穿戴的舒适性，具备如轻便、仿生、减震、以及定制化等特性。
目前，膝关节假肢都是刚性假肢，采用高密度的金属材料制成，且各部分功能机构相对独立，在提高功能性的同时会增大系统体积、重量，且刚性框架的缓冲性能也十分有限，很难兼顾功能性和舒适性。
近年来，软体材料的高度发展有望为机器人领域提供创新的解决方案和功能上的增强。其固有的低密度、柔顺性、缓冲性和便于3D打印的特性使软体机器人具备轻便、柔顺、减震、便于制造等特点，这十分契合膝关节假肢对于穿戴舒适性的设计要求。然而，软体材料的高柔顺性也导致其结构在运动和承重时会产生无法避免的非必要形变，这一方面不利于建模计算和运动控制，另一方面导致结构难以承受人体重量，阻碍了软体机器人在膝关节假肢上的应用。
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折纸软体膝关节总览
为了解决这一问题，研究团队利用折纸结构的大范围折展特性，使得软体材料的膝关节假肢可以满足膝关节大范围运动的要求。
我们在日常折纸时，不同的长短角度会留下不同的折痕，这些折痕组合起来就能变出千奇百怪的折纸形状，研究团队正是抓住了折纸结构的灵活性以此模拟人体膝关节。
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正面折纸结构折痕设计图
只要巧妙地调整“折痕”的设计参数，膝关节假肢的3D折纸结构就能让大腿杆和小腿杆自由地弯曲成各种角度。而且，通过调整不对称度，这款假肢还能完美“模仿”人体膝关节的多中心转动，让假肢的运动变得自由灵活。
路边常见的马尾草有细细的茎秆，却能稳稳地支撑起“高挑的身姿”，不怕风吹，抗弯折能力超强，这背后有着两大关键机制——流体压制稳定和受压内凹结构。
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仿马尾草抗弯折机制的软体结构设计
马尾草身上蕴含的结构奥秘被科研团队巧妙捕捉，在设计中增加了背面折纸结构，让它和正面折纸结构“背靠背”，增强软体假肢的抗压能力。经过行走实验检测，软体假肢在行动时更省力、受到的冲击更小、舒适度更高。假肢、折纸和马尾草看似毫不相关，却在研究人员的巧思下共同助力科技向善。
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残疾人多地形行走实验结果
期待这款假肢早日推广落地，成为残疾人迈向更广阔人生的有力支撑，这就是科技进步的意义！
来源：综合中关村论坛、北京大学融媒体中心、北京大学工学院、北京发布等
编辑：张雪飞
审核：张競丹