智能假肢如何“人机合一”？

陈文明（左）和同事在对具备力（触）觉感知反馈的智能踝足假肢进行演示 本报记者 陶磊 摄

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陈文明研究员

杨浦区湾谷科技园D栋13楼的一间实验室里，陈文明正在“摆弄”一只假肢。这可不是普通的假肢，它连接着一整套智能触觉系统：通过测量足底地面把持力变化特征，为假肢设计提供生物力学数据基础；复制生物足趾“转动—平动”耦合运动，产生类似于生物足趾的地面把持力；实现一种具备可编程触觉接口的假肢仿生力觉感知系统，能够为佩戴者提供有效的落地指引和感觉反馈。一句话，就是人机合一。假肢佩戴者不再感觉使用的假肢仅仅是机械部件，而感觉到它是自己身体的一部分。

陈文明是复旦大学工程与应用技术研究院、生物医学工程技术研究所研究员和博士生导师，他主导的这间实验室名为Biomech-X（生物力学-X）。他的研究创新，首先要从生物力学说起。

从先进实验力学到具身智能穿戴技术

生物力学，是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。其研究范围从生物整体到系统、器官（包括血液、体液、脏器、骨骼等），从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。人体生物力学采用力学理论和方法，研究生物组织、器官乃至细胞的力学规律，旨在阐明疾病机制，启发治疗方案。比如，人工关节设计、运动员的训练、运动康复就属于其重要的应用领域。

陈文明的研究方向是：从先进实验力学到具身智能穿戴技术。他介绍说，人体动作捕捉系统（实验力学）与肌骨动力学建模（计算力学），共同构成了生物力学研究的基础框架。生物力学这一交叉学科研究是人体神经-运动系统疾病预防、诊断、治疗和康复领域中实现技术突破的基石。目前，高端力学测试仪器、先进实验力学方法和高效能计算力学工具，仍是我国生物力学学科发展的短板，也是制约新一代具身智能穿戴技术发展的薄弱环节。而这，正是实验室攻坚的难点。

于是，陈文明团队通过医工结合研究的智能下肢假肢力（触）觉仿生系统出现了。

如何实现假肢与人体的一体化？

他介绍道，对于下肢截肢等严重功能残疾人士，假肢是必不可少的。然而，传统假肢仅起到支撑体重以及协助患者完成简单步行任务的作用。临床上，下肢截肢患者普遍平衡功能差，同时存在步态不对称，并伴随有健侧肢体代偿的情况。这些问题导致患者产生更高的能量消耗以及由体重分布不均匀导致的一系列骨骼关节疾病，例如健侧骨关节炎等。这些问题使得传统假肢在功能性和用户体验上存在显著缺陷。

在工作中，陈文明接触到一些假肢使用者，“由于仿生性能不足，假肢与身体之间存在不自然的机械结构，导致行走时步态可能发生改变。还有，传统的下肢假肢无法向截肢者传递有关运动或与地面环境的交互信息，导致患者行走不稳甚至跌倒。另外，假肢与身体接触的部位也会产生疼痛或不适感。”

如何实现假肢与人体的一体化？陈文明的研究涵盖了多个系统：计算机视觉运动解析、柔性多维力（触）觉传感、可穿戴步态分析等，这些都是先进实验力学手段，进而从基础生物力学（Biomechanics）到人体肢体仿生（Bionics）实现创新设计的全过程。

陈文明讲述自己的研究时，总喜欢先展示达·芬奇留下的人体比例图，这堪称是最早的人体结构力学信息。“但人体生物力学的信息量是非常复杂丰富的。比如，足踝就有26个独立骨块、30个关节连接、单一骨块有6个自由度运动，如何测量挑战极大。而这些数据是构建智能假肢及其仿生设计的关键。”

这一技术在全球属于前沿创新

团队开发的基于计算机视觉的“无标记”运动解析技术，研制了基于动态点云分割的足踝运动分析技术，测量精度1.41mm，平均处理时间<2mins，效率远高于主流Mocap系统，加速比达到19.7倍。

采用“无标记”运动解析自动化技术，能迅速发现足病/术后关联的运动学差异，为患者提供临床治疗依据。一名16岁男性来到实验室受试，他因先天性脊柱裂导致双侧马蹄足，其中左足已完成三次手术，右足尚未进行治疗，6次实验后获得了最佳的治疗方案。

记者看到，智能假肢的上端还有一层类似胶布的材料，这是团队研发的柔性高、可拉伸强的可穿戴感觉反馈“贴片”，上面布满了芯片传感器，随时传递人体力觉信息，这便是触觉仿生系统。

陈文明介绍，生物足踝的力学仿生将极大提高假肢穿戴者的步态对称性以及减少能量消耗、提高地面环境适应性。他说，“这一技术在全球范围内都属于前沿创新。”它还为发展新一代具身智能穿戴设备，实现真正意义上的人机一体化提供新的思路和技术支撑。

本报记者 张炯强