双峰循环加载装置在假肢生物力学评估中的创新应用研究

《Bioconjugate Chemistry》：Dual-peak cyclic loading for evaluation of lower-limb prostheses

本研究针对ISO 10328标准在假肢疲劳测试中存在的生物力学匹配不足问题，开发了两种新型双峰循环加载测试装置。通过可调角度加载板与运动控制模块的协同工作，成功模拟了步态周期中的脚跟触地（heel-strike）和脚尖离地（toe-off）双峰载荷特征。实验结果表明，装置2可实现M形载荷曲线模拟，峰值力误差≤3%，为假肢耐久性评估提供了更贴近真实步态的生物力学测试平台。

　　

对于下肢截肢者而言，假肢的可靠性和耐久性直接关系到日常生活安全与活动能力。然而当前国际标准化组织（ISO）制定的假肢测试标准ISO 10328存在着明显的生物力学匹配缺陷——该标准采用单一的正弦波加载方式，无法模拟真实步态中脚跟触地与脚尖离地阶段产生的双峰值载荷特征。这种测试方法与实际步态载荷的脱节，可能导致假肢产品在实验室测试合格后，在实际使用中仍出现早期失效的风险。

为解决这一关键技术瓶颈，密歇根大学机械工程系的张兆坤团队研发了两种创新性的双峰循环加载测试装置。这两种装置通过精确控制倾斜角度的加载板（15°模拟脚跟触地，20°模拟脚尖离地），实现了对步态周期中关键力学特征的动态复现。

研究人员采用基于位置控制的运动规划策略，首先将假肢系统建模为非线性弹簧，通过力-位移标定实验建立加载力与执行器位移的对应关系。装置1采用单自由度伺服电机驱动假肢垂直运动，配合气动执行器切换加载板位置；装置2则升级为双电机独立控制两个加载板，实现了真正的M形连续载荷曲线模拟。测试中使用iPecs?六维力传感器实时监测假肢连接处的轴向力，并通过20次循环实验验证装置的重复性。

研究结果显示，装置1成功实现了分离式双峰加载，脚跟触地和脚尖离地阶段的峰值力误差分别为3.3%和0.8%。装置2进一步实现了包含中期支撑相的双峰连续加载，峰值力误差控制在3%以内，变异系数（CV）小于1%。特别值得注意的是，装置2通过力分配系数λ（0≤λ≤1）的线性调节，实现了脚跟与脚尖载荷的平滑过渡，有效模拟了步态中期双接触点的力学特性。

在讨论部分，研究者将新型装置与ISO标准及商用步态模拟器进行了对比分析。传统的ISO 10328标准采用固定配置下的正弦波加载，完全忽略了步态中期的载荷过渡特性。而新型装置不仅复现了双峰载荷特征，还通过可编程的运动控制实现了载荷时序的精确调节。尽管测试周期（2.5秒）略长于实际步态周期（1.2-1.6秒），但其力控制精度已达到商用机器人步态模拟器（如R2000 Rotopod）的水平，且结构更简单、成本更低。

该研究的创新价值在于：首先，提出了基于轴向力测量的假肢测试新范式，避免了传统地面反作用力（GRF）测试需要多块力板的复杂性；其次，开发了可调节的力分配算法，为不同假肢设计的个性化测试提供了技术基础；最后，建立了从生物力学数据到工程测试的标准转化流程，为假肢行业的标准化测试提供了新思路。

展望未来，该技术平台可进一步扩展至多轴力控制、动态阻抗模拟等方向，为智能假肢的能量回收效率、自适应控制算法等前沿研究提供可靠的实验验证手段。这项发表于《Bioconjugate Chemistry》的研究，不仅为假肢疲劳测试设立了新标准，也为医疗器械的生物力学评价提供了可推广的技术框架。